Passer de la fabrication additive au moulage par injection

La précision et la répétabilité de l'impression 3D de qualité industrielle ont établi la fabrication additive comme un processus efficace et précis pour le prototypage fonctionnel. Dans le même temps, le moulage par injection de plastique est depuis longtemps un moyen fiable, économique et rapide de produire des pièces pour des séries de production plus importantes de dizaines de milliers et au-delà.

En conséquence, les ingénieurs, les concepteurs et les développeurs de produits ont constaté que ces deux processus fonctionnent bien ensemble dans le cycle de vie d'un produit, en commençant par l'atténuation des risques de conception du prototypage d'impression 3D, puis en passant à la méthode de fabrication du moulage par injection pour accélérer pour des volumes plus élevés. Pour des millions de conceptions de pièces au fil des ans, cela a été une combinaison incontournable.

Chez Protolabs, les exemples abondent dans plusieurs secteurs, notamment l'aérospatiale, la défense et les technologies médicales.

Il convient de noter qu'il existe plusieurs processus d'impression 3D qui ont la capacité de construire des pièces de production entièrement fonctionnelles. Le frittage laser direct de métal, par exemple, utilise une gamme de métaux pour fabriquer des pièces d'utilisation finale. Le frittage sélectif au laser, utilisant des matériaux à base de nylon, peut créer des pièces finales très durables. Multi Jet Fusion est également utilisé pour fabriquer des pièces en nylon d'utilisation finale.

Cela dit, passer des prototypes imprimés en 3D aux pièces finales moulées par injection reste une option fréquemment utilisée, principalement, comme mentionné, parce que le moulage est un moyen plus rapide et plus rapide de produire des pièces en plus grand nombre.

Lors du choix de cette option, il y a un certain nombre de considérations de conception uniques à garder à l'esprit. Cet article offre des conseils pour naviguer dans ce changement :

• Définir une pièce avant de concevoir une pièce
• Utilisation de plusieurs prototypes
• Manœuvrer à travers le moulage
• Choix des matériaux
• Réduction des coûts et des délais

En imprimant des prototypes en 3D avant de passer au moulage, les équipes de développement de produits peuvent réduire les risques de conception et itérer plus rapidement.

Atténuation des risques de conception :définir une pièce avant de concevoir une pièce

Le prototypage avec l'impression 3D ou la fabrication additive est une question d'atténuation des risques de conception :examiner comment améliorer la conception d'une pièce ; examiner les risques potentiels qu'il pourrait y avoir pour la forme, l'ajustement et la fonction d'une pièce ; essayer et valider une variété de concepts de conception ; et être conscient de ne pas se mettre dans un coin en ne tenant pas compte de la fabricabilité de la pièce. En effet, avec l'impression 3D, peu de règles ou de limitations peuvent vous poser problème lors de la création d'une pièce. Mais, pour concevoir une pièce moulable, eh bien, c'est une autre histoire. La fonction affecte la forme de tout type de pièce, mais avec les pièces en plastique en particulier, elle affecte également la finition, et même la conception du moule qui les façonne.

C'est là qu'intervient notre plateforme de devis numérique automatisé. Cette analyse est particulièrement cruciale si vous avez à l'esprit que la pièce sera moulée, ou du moins produite en quantités un peu plus importantes au-delà de la simple étape de prototypage. Pour les pièces imprimées en 3D, vous obtenez un devis instantané avec une tarification interactive basée sur le matériau, la résolution et la finition. De plus, vous pouvez toujours obtenir des commentaires sur la conception de l'un de nos ingénieurs internes en fabrication additive. Pour les pièces moulées, vous obtenez un devis en ligne interactif en quelques heures, plus l'analyse DFM et une tarification en temps réel basée sur la quantité, la finition et le délai.

Mais revenons à quelques exemples d'atténuation des risques. Dans l'industrie automobile, une conception de pièce qui s'intègre en tant que composant du moteur d'un SUV devra probablement survivre à une exposition à une chaleur et à une humidité élevées. Cela conduira à des choix clés tels que le matériau à utiliser et la méthode de production à opter. Cela peut nécessiter l'utilisation du frittage laser sélectif (SLS), un processus d'impression 3D qui peut produire des pièces de production fonctionnelles, ou peut nécessiter des pièces moulées ou usinées. Ou, disons, une entreprise de technologie médicale est en train de prototyper un nouvel outil chirurgical portable. Dans ce cas, un prototype imprimé en 3D serait un outil qui fonctionnerait parfaitement dans un cabinet médical ou une clinique pour des démonstrations de vente et des tests d'utilité.

À ce stade préliminaire, le meilleur conseil est d'utiliser de bons principes de conception solides pour aider à définir une pièce avant de concevoir à part. Ce qui mène à la section suivante :le rôle des prototypes itératifs ou multiples.

L'équipe d'ingénieurs qui a développé l'Indago Quadcopter a prototypé la conception avec l'impression 3D, puis est passée au moulage pour la production.

Le multi-prototypage aide à déterminer une méthode de production

Comme mentionné, il existe peu de règles ou de limitations concernant la création d'une pièce avec la fabrication additive. C'est une bénédiction et une malédiction. C'est particulièrement difficile lorsque les concepteurs souhaitent faire passer une conception de prototype imprimé à des pièces moulées ou à une autre méthode de production. Pourquoi? Eh bien, dans le cas du moulage, il "n'aime pas" les sections épaisses, les porte-à-faux, les écoulements qui font le tour d'un noyau et le tricotage, la géométrie complexe, les canaux ou chambres internes, les géométries organiques, etc. En d'autres termes, ce n'est pas parce que quelque chose peut être imprimé en 3D qu'il peut nécessairement être moulé.

Par conséquent, les citations croisées (citation à travers ou contre plusieurs processus) ainsi que le prototypage itératif peuvent être un processus de vérification utile pour la conception d'une pièce. Faire cela en parallèle aidera à montrer si la pièce sera même fonctionnelle, puis comment elle pourrait être convertie avec succès à l'étape suivante, à une méthode qui permet une production à plus grand volume, qu'il s'agisse de moulage, de fonderie, d'usinage, de tôlerie fabrication ou autre procédé. Ce multi-prototypage vous aidera probablement également à comprendre les considérations de prix et de temps.

Dans le cas du moulage par injection, vous rencontrerez plus de restrictions sur ce qui peut et ne peut pas être moulé car si le moule ne peut pas être produit, la pièce ne peut pas être produite. Pour le moulage par injection, de nombreuses techniques et éléments de moulage devront être utilisés ou ajoutés (voir la section suivante sur Manœuvrer à travers le moulage).

Un exemple de ce processus de cotation multiple dans l'industrie aérospatiale s'est produit avec le drone quadricoptère Lockheed Martin (voir encadré). Le concepteur du projet, Miguel Perez, un ingénieur de Lockheed Martin, a travaillé avec le système de devis automatique d'analyse DFM de Protolabs, qui l'a guidé à travers diverses itérations de pièces, et l'a finalement amené à passer du prototypage avec impression 3D au prototypage et à la production à faible volume. avec moulage par injection.

Il soumettrait un modèle non modifié au système de devis, puis obtiendrait des commentaires, par exemple, sur la façon dont les moitiés de moule pourraient fonctionner, les tractions latérales suggérées et les points forts des fonctionnalités qui ne pouvaient pas être moulées. Perez utiliserait ensuite ces informations pour transformer la pièce imprimée en 3D en plusieurs pièces d'interface moulables qui préserveraient l'intention de conception. Ensuite, il soumettrait à nouveau les pièces modifiées et obtiendrait encore plus de commentaires du système de devis sur la façon dont le moule pourrait être fabriqué, lui montrant, par exemple, où il avait peut-être oublié le brouillon requis dans les directions appropriées.

Un exemple de l'industrie médicale est le test de vérification que l'impression 3D fournit pour une pièce telle qu'un verrou Luer, qui se visse et s'adapte à l'extrémité des seringues. Il existe certaines façons de mouler ces serrures pour réduire les coûts, mais les conceptions peuvent d'abord être validées avec l'impression 3D, en s'assurant qu'elles sont suffisamment serrées pour faire un joint, par exemple, avant de juger qu'elles fonctionnent suffisamment bien pour passer au moulage. /P>

En fin de compte, selon la pièce en cours de conception, tester et utiliser plusieurs prototypes peut vous aider à vérifier si quelque chose fonctionnera et vous aider à gagner en confiance dans un prototype avant de passer au moulage.

Le prototypage de composants d'accouplement comme un verrou Luer qui se visse sur une seringue est un excellent moyen de confirmer l'ajustement et le fonctionnement avant d'investir dans l'outillage de production.

Manœuvrer à travers le moulage

Pour effectuer cette transition des prototypes imprimés aux pièces moulées, un certain nombre de méthodes de conception de moulage doivent être envisagées et, le cas échéant, appliquées. Les deux principales de ces techniques sont l'épaisseur de paroi et le tirage uniformes, bien qu'il en existe également plusieurs autres. Voici un bref aperçu :

Épaisseur de paroi uniforme. Le maintien d'une épaisseur de paroi uniforme est probablement l'exigence de conception la plus importante pour obtenir de bonnes pièces moulées. Le fait d'avoir une épaisseur de paroi uniforme permet au plastique fondu de remplir le moule de manière uniforme, évitant ainsi de créer une pièce présentant un gauchissement, un évier, des lignes de soudure fines ou d'autres défauts.

Brouillon. L'ajout d'une dépouille ou d'une pente aux parois verticales d'une pièce facilite l'éjection ou le retrait de la pièce du moule. La règle principale est d'appliquer 1 degré de dépouille par pouce de profondeur à la cavité du moule.

Rayons. Utilisez des rayons ou des coins arrondis pour améliorer l'écoulement du plastique dans le moule ainsi que l'intégrité de la pièce. Les angles vifs augmentent la tension de votre part et entravent l'écoulement du plastique fondu (résine).

Côtes, goussets, rampes. L'inclusion de nervures et de goussets de support peut augmenter la résistance des pièces structurelles et aider à éliminer le gauchissement, l'affaissement et les vides. Les nervures doivent représenter 40 à 60 % de l'épaisseur du mur adjacent. Des rampes plutôt que des marches abruptes peuvent réduire le stress lors des changements entre les parties de paroi plus épaisses et plus minces.

Boss. Concevoir une paroi plus mince sur un bossage ou un élément de montage qui recevra une vis éliminera les éviers et les vides.

Pour plus de détails sur les directives de conception de moulage par injection, y compris les recommandations sur la taille des pièces et les matériaux, consultez nos directives de conception pour le moulage par injection de plastique, qui incluent les dimensions maximales, les listes de plastiques et de finitions de surface couramment utilisés, ainsi que les options de correspondance des couleurs personnalisées et de finition secondaire ; directives de conception du caoutchouc de silicone liquide (LSR); et les directives de surmoulage et de moulage par insertion.

Considérations matérielles pour le moulage par injection

Les deux grandes catégories de matières plastiques sont les thermoplastiques et les thermodurcissables (LSR par exemple). Le choix d'un matériau est basé sur une variété de considérations. Les propriétés mécaniques, physiques, thermiques et électriques du matériau sont importantes. La fabricabilité est essentielle, comme les caractéristiques des résines (matières plastiques sous leur forme brute), y compris leur résistance à la déformation pendant le refroidissement et leur capacité à remplir les petites caractéristiques d'un moule. Selon la fonction de la pièce, l'apparence esthétique peut également être importante. Le coût des matériaux est encore un autre problème. Il peut également y avoir d'autres considérations particulières, telles que la nécessité d'une certification FDA ou UL.

Réduction des coûts et des délais

Certes, les coûts et budgets globaux, ainsi que les échéanciers et les délais, sont également des considérations clés. Et, dans certains cas, il peut sembler que le coût en particulier est le principal facteur d'influence du développement de pièces ou de produits. Pourtant, en utilisant des méthodes de production plus abordables telles que le moulage, les coûts peuvent être maîtrisés.

Dans ce sens, une échéance imminente peut également ressembler à un influenceur de premier plan. Cependant, grâce aux méthodes de fabrication numérique qui peuvent accélérer le développement de produits, le prototypage et la production de pièces et de produits peuvent être considérablement raccourcis.

Gus Breiland est ingénieur technique senior chez Protolabs dans le Minnesota.

Eric Utley est ingénieur d'applications chez Protolabs en Caroline du Nord.