Moules imprimés en 3D pour injection de faibles séries efficace

Cet article aborde l'utilisation de l'impression 3D pour fabriquer des moules d'injection de faibles séries. Sont inclus : considérations de design, matériaux, configurations de moules et étude comparative.

Comment concevoir un moule d'injection imprimé en 3D

Matériaux

Un matériau d'impression 3D convient pour créer un moule d'injection s'il possède :

• Haute résistance thermique : Une température de fléchissement sous charge élevée est requise pour résister aux charges mécaniques et thermiques lors de l'injection. Noter que la température chute rapidement pendant la solidification.
• Haute rigidité/tenacité : Le retrait répété des pièces use le moule ; matériaux à haute rigidité requis pour maintenir la précision dans le temps.
• Haut niveau de détail : Exigence principale : haute précision dimensionnelle et surface lisse. Moules très précis = pièces très précises.

Les technologies couvrant le mieux ces exigences sont la SLA et le Material Jetting. Elles produisent des pièces haute précision dimensionnelle, idéales pour détails complexes et fines caractéristiques. Les matériaux spécialisés disponibles dans ces technologies, comme la résine Haute Température Formlabs ou le Digital ABS Stratasys, sont idéaux pour le moulage et l'outillage. Un aperçu des propriétés les plus pertinentes pour l'injection pour ces deux matériaux :

Propriété	Résine Haute Temp Formlabs*	Digital ABS Stratasys**
Température de fléchissement sous charge	289 °C @ 0,45 MPa	92 - 95 °C @ 0,45 MPa
Module de flexion	3,3 GPa	1,7 - 2,2 GPa
Résistance au choc (Notched IZOD)	14 J/m	65 - 80 J/m
Hauteur de couche minimale (résolution)	25 - 50 microns	16 - 30 microns
Taille de détail minimale	0,2 mm	0,2 mm

*Infos source Formlabs **Infos source Stratasys

Pour applications industrielles, la SLA bureau n'est pas adaptée. Un article approfondi comparant les deux matériaux industriels les plus utilisés pour moules (Digital ABS et Somos PerFORM) se trouve ici.

Design du moule

La description technique détaillée des caractéristiques de moule (portes, canaux, évents d'air, etc.) dépasse le cadre de cet article. Une recherche internet révèle abondante information. Ce post de Seattle Robotics est un bon point de départ pour les novices en design de moule d'injection.

Bonnes pratiques à suivre pour concevoir un moule imprimé en 3D :

• En design pour impression SLA, assurez-vous que les faces internes du moule sont orientées sans support en contact. Cela améliore leur qualité de surface (pas de marques de support), minimisant le post-traitement.
• Inclure évents d'air peu profonds (0,05 mm) du bord de la cavité au bord du moule aide à évacuer l'air piégé pendant le moulage.
• Si le moule imprimé 3D sert pour plus de 20 cycles, prévoyez des canaux pour insérer tiges ou tubes métalliques. Ils renforcent le moule, réduisent le gauchissement et améliorent les temps de refroidissement.
• Imprimer le moule à hauteur de couche plus basse produit des pièces moulées plus lisses (moins de traits d'impression visibles).
• Détails en relief ou gravés doivent être décalés de la surface d'au moins 1 mm.

Restrictions de design spécifiques dépendent de la machine de moulage par injection utilisée. Cependant Stratasys suggère que moules via leurs imprimantes Material Jetting doivent produire pièces de volume max 165 cm³ sur presses 50-80 tonnes ou presses manuelles.

Concevoir des pièces pour le moulage par injection

Comme pour moules conventionnels, le designer doit considérer :

• Ajouter un angle de dépouille minimum 2° pour faciliter le démoulage.
• Maintenir épaisseur de paroi uniforme sur toute la pièce.
• Garder parois et caractéristiques aussi fines que possible.
• Inclure rayons sur tous bords et coins.
• Inclure nervures et goussets fins pour ajouter résistance plutôt qu'augmenter l'épaisseur de paroi.

Design d'angle de dépouille pour moulage par injection

En savoir plus sur l'importance des angles de dépouille dans cet article →

Réduire les bavures (flash)

Le flash est la matière qui s'échappe entre les deux moitiés du moule pendant l'injection. Cela survient généralement quand les moitiés ne s'ajustent pas parfaitement, ne sont pas parfaitement planes/affleurantes ou que le moule est sur-rempli. Les canaux dans le design du moule aident à réduire le flash.

Si design pour cadre aluminium, ajoutez 0,125 mm d'épaisseur supplémentaire au dos des plaques de moule pour compenser les forces de compression et assurer étanchéité complète. Augmenter la force de serrage dans l'étau aide aussi, tout comme polir le plan de joint pour une surface la plus plate possible.

Bon design de moule et face de moule plate réduisent la probabilité de flash (image Formlabs)

Composé de démoulage

Du fait de la nature relativement fragile des matériaux pour moules d'injection imprimés 3D vs moules traditionnels, appliquer une force excessive pour démouler peut mener à détérioration rapide. Appliquer un composé de démoulage sur les surfaces de la cavité avant injection facilite grandement le retrait de la pièce.

Étude de cas : un raccord moteur en plastique

Cette étude compare la fabrication d'un raccord plastique sur mesure pour un logement moteur. Exigences :

• Total : 25 pièces.
• Haute précision dimensionnelle pour ajustement serré.
• Poids : 0,005 kg (5 g).
• Matière : ABS.
• Couleur : noir.
• Diamètre global : 40 mm.

Options de fabrication alternatives :

Impression 3D FDM industriel ABS : Haute répétabilité, précision dimensionnelle élevée, lots petits/moyens. Coût filament ABS industriel : ~90-110 $/kg. Restriction principale : performance mécanique anisotrope (pièces significativement plus faibles dans une direction). Le designer doit bien saisir les charges subies et l'orientation sur le plateau.

Moulage par injection ABS avec moules SLA imprimés 3D : Résines SLA haute température produisent moules d'injection fonctionnels haute précision, adaptés faibles séries. Résines SLA : ~150-170 $/litre. Machine d'injection de paillasse utilisée pour calculs avec moules 3D insérés dans cadres aluminium. Granulés ABS pour moulage : ~2-3 $.

Pièce ABS moulée par injection traditionnelle : Très haute précision, excellente finition, très haute répétabilité. Inconvénients majeurs : coût initial élevé et restrictions de design (angles de dépouille, épaisseur constante, etc.). Coût granulés ABS identique ci-dessus.

Résumé des coûts (basés devis en ligne) pour la fabrication du raccord ABS avec les technologies ci-dessus. Prix hors expédition.

	FDM Industriel*	IM 3DP**	IM Traditionnelle***
Coût moule	N/A	70,85 $	1 660,72 $
Coût par pièce	3,69 $	0,05 $	1,89 $
Coût total	92,25 $	72,10 $	1 711,48 $
Délai	4 jours	2 jours	8 jours

* Devis Protolabs Network.com avec ABS, infill 20 % sur Fortus 250MC ** Devis Protolabs Network.com avec résine Haute Temp Formlabs sur Form2 *** Devis source Protolabs

Prochaines étapes : Produire des pièces par moulage par injection

Le moulage par injection de faibles séries avec moules imprimés 3D est-il la meilleure solution pour vous ? Deux options :

Si vous avez accès à une machine de moulage par injection et le savoir-faire pour concevoir le moule, l'impression 3D du moule en matériau résistant à la chaleur est une option. Un article discutant avantages/inconvénients des deux matériaux d'impression 3D les plus courants pour moules faibles séries se trouve ici.

Sinon, sous-traiter la production à un professionnel du moulage par injection. Protolabs Network donne accès à un réseau mondial de prestataires, capables de concevoir un moule pour votre pièce et produire volumes de 100 à 10 000+ unités.

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