Moulage par injection avec moules imprimés en 3D : aperçu complet du design, avantages et applications

Les moules imprimés en 3D pour le moulage par injection gagnent en popularité dans l'industrie manufacturière. C'est un excellent ajout au portefeuille de processus de moulage par injection et offre une alternative compétitive aux matériaux de moules traditionnels.

Dans cet article, nous plongerons dans ce qu'est un moule d'injection imprimé en 3D, ses types, avantages et limitations. À la fin, nous partageons aussi des conseils utiles pour les concepteurs et ingénieurs de moules. Commençons !

Qu'est-ce qu'un moule d'injection ?

Les moules d'injection sont sans doute le composant le plus important dans les configurations de moulage par injection. Le moule est un assemblage multi-parties avec une cavité à l'intérieur qui est une réplique exacte de la géométrie finale du produit.

Un système d'injection pompe la matière première fondue dans cette cavité, où elle refroidit pour prendre sa forme finale. Ensuite, un mécanisme d'éjection, également à l'intérieur du moule, éjecte la pièce finale. Ainsi, le moule d'injection sert le but principal de donner sa forme à la pièce et de l'éjecter.

Il y a de nombreuses propriétés qu'un moule d'injection de haute qualité doit posséder. Il doit avoir une bonne stabilité thermique pour minimiser la dilatation thermique, une haute résistance pour supporter les pressions de serrage, et une bonne résistance à l'usure pour la durabilité.

Moule imprimé 3D vs moule en aluminium

Conventionnellement, l'aluminium a été le choix standard de matériau pour la fabrication de moules d'injection pour production de faible à moyen volume. Cependant, les moules imprimés en 3D pour le moulage par injection gagnent rapidement du terrain grâce à de nombreux avantages comme l'économie de coûts et la flexibilité de design.

La principale différence entre un moule imprimé 3D et un moule en aluminium est leur mode de fabrication. Le processus principal pour les moules en aluminium est l'usinage CNC. Les moules imprimés en 3D, eux, sont faits par impression 3D, bien sûr.

Cela peut sembler une différence triviale, mais elle est en fait assez significative et appelle une discussion sur moule imprimé 3D vs moule en aluminium.

Mais d'abord, passons en revue les deux principaux types de moules d'injection imprimés en 3D.

Moule renforcé par structure métallique

Ce type de moule d'injection emprunte des éléments aux moules en aluminium et aux moules imprimés en 3D. La structure interne de base incluant la cavité et les canaux est imprimée en 3D. Cette impression 3D est ensuite insérée dans une structure en aluminium pour une meilleure stabilité et durabilité.

Le renforcement par structure en aluminium permet des pressions de moulage plus élevées et prolonge la durée de vie du moule. Les ingénieurs peuvent aussi remplacer facilement les composants du moule imprimé en 3D en cas de changements de design ou d'usure.

Moules autonomes

Les moules autonomes sont faits entièrement par impression 3D. Comme l'impression 3D devient plus robuste très rapidement, les moules autonomes imprimés en 3D gagnent en popularité dans l'industrie du moulage par injection.

Un avantage majeur des moules autonomes est que les ingénieurs obtiennent une flexibilité de design supplémentaire pour des caractéristiques comme les canaux d'injection, les points d'injection, etc.

Avantages des moules d'injection imprimés en 3D

Les moules imprimés en 3D pour le moulage par injection bénéficient de nombreux avantages par rapport à leurs homologues métalliques. Nous soulignerons certains des principaux avantages de l'utilisation d'un moule imprimé en 3D.

Rentable

Il n'est pas secret que la gestion des coûts est une grande partie de la fabrication efficace. Un moule imprimé en 3D est significativement moins cher que les moules métalliques.

Les machines-outils CNC sont souvent chères et nécessitent une maintenance coûteuse. Les imprimantes 3D, en revanche, sont des machines moins chères et faciles à maintenir. Le coût des matières premières pour l'impression 3D est aussi plus bas que les métaux pour le moulage par injection.

Les coûts de main-d'œuvre diffèrent aussi pour les deux méthodes. Les machines CNC sont des équipements complexes nécessitant un machiniste qualifié pour les opérer. Les imprimantes 3D, bien que pas une promenade de santé, sont encore plus accessibles à un groupe plus large de techniciens.

Gain de temps

Un autre aspect important de la productivité manufacturière élevée est la gestion du temps. Un avantage majeur de l'utilisation d'un moule imprimé en 3D vs moule en aluminium est l'économie de temps remarquable pendant le processus de fabrication du moule.

L'usinage CNC est un processus chronophage, prenant parfois jusqu'à une semaine pour fabriquer complètement un moule d'injection complexe. Le processus d'impression 3D est beaucoup plus rapide et a moins d'étapes que l'usinage. Le temps moyen de fabrication du moule est de l'ordre de quelques heures, donnant aux moules imprimés en 3D un avantage évident.

Flexibilité de design

L'impression 3D est connue pour sa capacité de prototypage rapide. C'est rapide, bon marché, et permet aux ingénieurs de tester diverses itérations de design.

La même logique s'étend à l'impression 3D de moules pour le moulage par injection. Les concepteurs de moules peuvent rapidement éliminer toute erreur ou imperfection dans le design du moule. De plus, il est aussi très pratique d'incorporer des améliorations produit dans la ligne de fabrication — tout ce qu'il faut, c'est une simple réimpression.

Ce genre de liberté de design n'est pas abordable avec l'usinage CNC, où même une seule production pèse lourd sur le budget.

Adapté au moulage par injection de faible volume

Les moules imprimés en 3D sont bien adaptés aux initiatives de production de faible volume. Comme nous le discuterons brièvement, bien qu'ils possèdent des propriétés mécaniques remarquables, ils ont tendance à s'user plus rapidement que leurs homologues métalliques au fil du temps.

Cela les rend idéaux pour des séries de production où un nombre petit à moyen de pièces sont fabriquées. Dans de telles configurations, investir dans un moule métallique coûteux est inefficace car le moule reste sous-utilisé à la fin de la série.

De plus, la production de faible volume est en moyenne plus axée sur le développement et les tests produit. Le design peut changer en cours de production si une mise à jour est requise ou une erreur découverte. Dans ce scénario, un moule imprimé en 3D est idéal car la mise à jour est à la fois rentable et gain de temps.

Limitations des moules d'injection imprimés en 3D

Les avantages et inconvénients vont de pair. Donc cette discussion serait incomplète si nous ignorions les inconvénients d'un moule d'injection imprimé en 3D.

Faible intégrité structurelle

L'impression 3D progresse très vite mais reste en retard sur les processus de fabrication conventionnels comme l'usinage CNC sur certains aspects. Elle a plusieurs problèmes de qualité inhérents comme la porosité et le manque de liaison qui diminuent l'intégrité structurelle des moules imprimés en 3D pour le moulage par injection.

Généralement, un moule imprimé en 3D a une résistance, dureté et résistance à l'usure plus faibles (d'où le besoin de renforcements en aluminium). Ils tendent à échouer sous des températures et pressions extrêmes, parfois nécessaires pour obtenir des produits de moulage par injection de haute qualité.

En conséquence, dans certains cas, les moules imprimés en 3D ne sont pas un substitut approprié aux moules en aluminium moulé/forgé.

Usure de surface

Les moules imprimés en 3D pour le moulage par injection ne sont pas aussi résistants à l'usure que les moules métalliques. Leur qualité de surface se dégrade plus vite que l'aluminium sous les hautes températures et pressions du moulage par injection. Cela se répercute aussi sur la surface du produit.

En plus, l'impression 3D de moules est un processus de fabrication couche par couche. De ce fait, les moules d'injection imprimés en 3D ont un motif de surface ondulé (aussi appelé effet d'escalier) qui augmente la rugosité de surface des pièces moulées.

Une solution courante est d'utiliser des méthodes de finition de surface comme le limage, le meulage ou le traitement chimique pour améliorer la qualité de surface du moule. Cependant, c'est un défi de réaliser ces opérations sur un petit moule à géométrie complexe, ce qui est souvent le cas avec les moules imprimés en 3D.

Cycle de production long

Le temps de refroidissement représente une grande partie du cycle de production du moulage par injection. Comme les métaux ont généralement une conductivité thermique plus élevée que les matériaux plastiques utilisés pour les moules imprimés en 3D, il faut plus de temps pour que la matière première fondue se solidifie dans un moule imprimé en 3D vs moule en aluminium.

Pour cette raison, nous conseillons aux ingénieurs moulistes de calculer le temps de refroidissement attendu pour leurs designs de moule d'injection avant de décider du processus de fabrication.

Retrait et gauchissement

Le retrait et le gauchissement sont deux défauts courants de l'impression 3D affectant la qualité d'un moule d'injection imprimé en 3D. Les plastiques sont très sensibles à la chaleur et sujets à la déformation (gauchissement) pendant le moulage par injection.

Comme le moule lui-même se déforme, la forme de sa cavité change, affectant les dimensions finales de la pièce.

Dans la plupart des cas, les concepteurs de moules peuvent atténuer ce problème en incorporant des allocations de retrait appropriées dans leurs moules. Cependant, dans le cas des moules imprimés en 3D, ces allocations sont difficiles à prévoir en raison du comportement non-uniforme des structures imprimées en 3D.

Conseils & astuces pour les moules d'injection imprimés en 3D

Nous espérons que les informations ci-dessus sur les moules d'injection imprimés en 3D ont enrichi vos connaissances sur le sujet.

Dans cette section, nous partagerons quelques conseils utiles de nos experts en design qui vous aideront à améliorer vos compétences en conception de moules.

Améliorer la conductivité thermique avec des matériaux composites

Une haute conductivité thermique améliore le temps de refroidissement dans le moulage par injection. Plusieurs additifs boostant la conductivité sont disponibles sur le marché comme le graphène, le nitrure de bore, les charges métalliques (poudre de cuivre, paillettes d'aluminium), etc.

Revêtement de surface

La faible résistance à l'usure est un inconvénient majeur des moules imprimés en 3D. Des revêtements de surface appropriés comme le métal ou la céramique sont très utiles pour améliorer les propriétés de surface des moules d'injection imprimés en 3D.

Éviter les structures de support sur les faces internes critiques

La plupart des techniques d'impression 3D utilisent des structures de support pour maintenir la pièce pendant l'impression. Elles laissent une marque sur la pièce après que le technicien de finition les enlève. Veillez à ne pas avoir ces structures de support sur les faces qui forment la cavité du moule car leurs marques résiduelles apparaîtront sur la pièce également.

Diminuer l'épaisseur de couche et la vitesse d'impression pour une meilleure finition de surface

La finition de surface d'un moule imprimé en 3D dépend des paramètres d'épaisseur de couche et de vitesse d'impression de l'imprimante 3D. Maintenez ces réglages bas pour obtenir une finition de surface d'impression 3D plus fine.

Angles de dépouille légèrement plus élevés que les moules en aluminium

Les structures imprimées en 3D nécessitent des angles de dépouille plus élevés dans le moule en raison de leurs différentes propriétés matérielles. Les experts suggèrent d'inclure un angle de dépouille moyen de 3° pour les faces verticales du moule d'injection.

La ventilation est clé

Des poches d'air tendent à se développer à l'intérieur des cavités de moule et diminuent la qualité de surface. Il est bon d'avoir des évents d'air peu profonds légèrement sous la surface de la cavité pour éviter ce problème.

Méthodes et matériaux d'impression 3D pour fabriquer des moules

Dans cette dernière section, nous présentons brièvement quelques techniques et matériaux d'impression 3D adaptés à l'impression 3D de moules.

Méthodes d'impression 3D courantes

• Stéréolithographie (SLA)
• Dépôt de filament fondu (FDM)
• Jet de matière
• Frittage sélectif par laser (SLS)

Matériaux d'impression 3D courants

• ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène)
• PETG (Polyéthylène Téréphtalate Glycol)
• PP (Polypropylène)
• Nylon
• Élastomères thermoplastiques (TPE)

Conclusion

Ceci conclut notre discussion sur le sujet intéressant des moules imprimés en 3D pour le moulage par injection. Les moules imprimés en 3D sont une alternative émergente aux moules en aluminium offrant des avantages comme l'économie de coûts et de temps, la flexibilité de design, et sont excellents pour la production de faible volume.

Certains de leurs inconvénients incluent une faible intégrité structurelle et résistance à l'usure comparés aux moules métalliques, mais il existe des solutions spécialisées pour éradiquer ces problèmes.

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FAQ

Combien coûtent les moules imprimés en 3D vs moules métalliques ?

Les moules imprimés en 3D sont relativement peu coûteux comparés aux moules métalliques. Typiquement, un moule imprimé en 3D coûte moins de 200 $. Un moule métallique est facilement 5 000 $+. Pour une configuration de faible volume, les moules imprimés en 3D sont un choix clair.

Quelle impression 3D courante est la meilleure pour les moules d'injection ?

En comparant seulement FDM, SLS et SLA, nous suggérons d'utiliser SLA pour produire des moules d'injection. Les produits SLA sont robustes, lisses et précis. Les moules FDM font face à des problèmes de démoulage et ne sont pas aussi lisses que les moules SLA. Des problèmes similaires sont couramment rapportés pour les produits SLS.

Comment améliorer le temps de refroidissement d'un moule d'injection imprimé en 3D ?

Les moules imprimés en 3D ne refroidissent pas aussi vite que les moules métalliques en raison de leur faible conductivité thermique. Un bon conseil est d'utiliser de l'air comprimé pour augmenter le transfert de chaleur convectif ou vous pouvez utiliser des empilements interchangeables.