Comment la conception des moules à injection s’adapte-t-elle aux différents matériaux plastiques ?

Différents plastiques ont un comportement physique très différent au cours du cycle de moulage.

Certains ne rétrécissent presque pas au refroidissement (0,4 pour cent pour le PS). D'autres rétrécissent considérablement (2,5 pour cent pour certaines qualités POM). Certains exigent des qualités d'acier pour moules spécifiques pour résister aux attaques chimiques. Certains ont besoin d’un refroidissement rapide, d’autres d’un refroidissement lent pour éviter le stress. Certains s'écoulent facilement en sections minces, d'autres ont du mal avec tout ce qui a une épaisseur de paroi inférieure à 1 mm.

Lorsque le concepteur du moule ne sait pas quel matériau sera utilisé, il doit faire des hypothèses. Ces hypothèses optimisent généralement le matériau le plus courant que le magasin voit -, généralement l'ABS pour les pièces cosmétiques. Si votre production actuelle utilise du nylon ou du polycarbonate chargés de verre-, le même moule peut déformer les pièces, développer des lignes de soudure ou tout simplement ne pas se remplir correctement.

Prendre la décision matérielle avant le début de l’outillage est l’une des choses les plus importantes qu’un acheteur puisse faire pour son projet. Au-delà du temps de cycle et de la qualité esthétique, la sélection des matériaux détermine le choix de l'acier du moule, la conception du système de refroidissement, la stratégie d'éjection et les spécifications de l'état de surface - essentiellement tout ce qui suit.

Les plastiques se divisent en trois grandes catégories de comportement. Comprendre à quelle catégorie appartient votre matériau est la première étape pour faire correspondre la conception du moule au matériau.

Plastiques amorphes - pour pièces cosmétiques et optiques

Les polymères amorphes comme l'ABS, le polystyrène (PS) et le polycarbonate (PC) ont des chaînes moléculaires qui se solidifient en une structure aléatoire plutôt qu'en un motif cristallin. Cela leur confère plusieurs caractéristiques importantes pour la conception des moules :

Faibles taux de retrait, généralement de 0,4 à 0,7 pour cent

Excellente capacité de finition de surface -, ils peuvent conserver le poli jusqu'à la clarté optique

Précision dimensionnelle prévisible

Sensibilité plus élevée, ce qui signifie qu'ils sont plus sujets au blanchiment sous stress

Pour un moulage par injection de coque de souris, l’ABS est le matériau de référence. Son faible retrait signifie un contrôle strict des tolérances sur les caractéristiques d'assemblage, et sa capacité de finition de surface correspond aux attentes esthétiques de l'électronique grand public. La conception des moules pour l'ABS se concentre sur la préservation esthétique de la surface - le placement stratégique des portes pour éviter les lignes de soudure, un nombre suffisant de broches d'éjection pour éviter le blanchiment sous contrainte et un polissage de surface approprié aux spécifications de la zone visible-.

A Moulage par injection de tasses en plastique PSutilise des variantes PS à usage général-ou modifiées par impact-. La conception des moules se concentre ici sur l'optimisation du flux à paroi fine et sur des temps de cycle ultra-rapides. Le PS gère bien les moules froids (généralement entre 35 et 45 degrés), ce qui contribue à son efficacité de cycle -leader dans l'industrie pour les travaux à parois minces-de grand volume-.

Plastiques semi--cristallins pour pièces fonctionnelles et d'usure

Le POM (acétal), le polypropylène (PP) et le nylon (PA66) sont des polymères semi-cristallins. Leurs chaînes moléculaires s'agencent en régions cristallines lors du refroidissement, leur conférant des caractéristiques très différentes des matériaux amorphes :

Taux de retrait élevés, généralement de 1,5 à 2,5 pour cent

Excellentes propriétés mécaniques - résistance, rigidité, résistance à l'usure

Sensibilité d'encoche inférieure - plus tolérante aux concentrateurs de contraintes géométriques

Contrôle de la température des moules plus exigeant

AMoulage par injection d'engrenages de moteurutilise généralement le POM en raison de sa combinaison exceptionnelle de faible frottement, de stabilité dimensionnelle sous charge et de résistance à la fatigue. Mais le retrait élevé du POM (1,8 à 2,5 %) signifie que la cavité du moule doit être découpée plus grande que les dimensions de la pièce finie, exactement dans la bonne mesure. Se tromper signifie que des engrenages-non conformes aux spécifications-ne peuvent pas s'engrener correctement.

Le POM exige également des moules chauds - températures de moule typiques de 80 à 95 degrés - pour garantir une cristallisation appropriée. Les moules à froid produisent des pièces avec une faible cristallinité, de mauvaises propriétés mécaniques et des contraintes internes qui se manifestent ultérieurement sous forme de déformation.

Plastiques techniques pour les applications-hautes performances

Les mélanges PC/ABS, PEEK, PPS et autres plastiques techniques similaires poussent la conception de moules vers un territoire spécialisé :

Températures de traitement supérieures à 300 degrés

Souvent abrasif (qualités chargées de verre-chargées de minéraux-)

La sélection de l’acier pour moules devient critique

Des systèmes de moules chauffés sont souvent nécessaires

Pour ces matériaux, l'acier pour moules P20 standard ne survivra pas longtemps. L'acier à outils pour travail à chaud H13-ou des nuances d'acier inoxydable spécialisées comme le S136 sont généralement nécessaires, avec une dureté comprise entre 50 et 58 HRC. Le polissage des cavités doit résister aux attaques de charges abrasives. La conception de la ventilation doit gérer les gaz agressifs libérés pendant le traitement.

Voici le tableau de référence qui devrait figurer sur le mur de chaque ingénieur de moulage lorsqu'il démarre un projet.

Quelques observations à partir de ces données. Le retrait du POM, de 1,8 à 2,5 pour cent, est environ 4 à 6 fois supérieur à celui de l'ABS, de 0,4 à 0,7 pour cent. C'est une énorme différence - et c'est exactement pourquoi les dimensions de la cavité d'un moule POM doivent être plus grandes que les dimensions de la cavité d'un moule ABS équivalent pour la même taille de pièce finie.

Les différences de température des moules comptent également. Les moules ABS fonctionnant à 50 -80 degrés utilisent des contrôleurs de température standard. Les moules POM fonctionnant à 80-105 degrés nécessitent des systèmes de chauffage de plus grande capacité et une isolation adéquate. Les moules PC fonctionnant entre 80 et 110 degrés avec des températures de fusion supérieures à 280 degrés nécessitent des systèmes à canaux chauds spécialement conçus pour un fonctionnement à haute température.

Comment l'acier moulé doit changer avec le matériau

La sélection des matériaux de moulage est souvent négligée au stade de la conception, mais elle affecte considérablement à la fois le coût initial du moule et sa durée de vie à long terme.

Un moule d'injection de gobelets en plastique PS typique utilisant du polystyrène à usage général-peut utiliser de l'acier P20-économique car le PS est non-corrosif et non-abrasif. Le moule délivre 500 000 à 1 000 000 de clichés sans usure notable.

Un moule d'injection de coque de souris pour ABS utilise généralement du NAK80 -, un acier de moule pré-trempé qui retient exceptionnellement bien le vernis pour les exigences de surface cosmétique. Le coût légèrement plus élevé (environ 25 pour cent de plus que le P20) est justifié par la qualité cosmétique et la durée de vie légèrement plus longue.

AMoulage par injection d'engrenages de moteurL'utilisation de POM, en particulier les qualités remplies de verre-, nécessite de l'acier trempé comme le S136 ou le H13. Le POM chargé de verre-est abrasif - son passage à travers une cavité P20 use visiblement la surface en 200 000 tirs. Avec une sélection d'acier appropriée, le même moule à engrenages produit 1,5 million de tirs ou plus.

Un fabricant de moules à injection réputé adapte la sélection de l'acier aux exigences réelles en matière de matériaux et de volume plutôt que de choisir par défaut une seule nuance d'acier pour chaque projet. Ce type d'ingénierie-spécifique aux matériaux est ce qui différencie les outils haut de gamme des outils de base.

Deux tendances émergentes remodèlent la manière dont la conception des moules s’adapte aux nouveaux matériaux.

Les plastiques recyclés connaissent une croissance rapide dans les emballages de consommation. Le PS recyclé, en particulier, est de plus en plus courant dans la production de gobelets jetables, à la fois pour des raisons de durabilité et de réduction des coûts. Le défi : les qualités recyclées présentent plus de variations entre les lots-que les matériaux vierges. Les conceptions de moules nécessitent des fenêtres de traitement plus larges pour s'adapter à cette variabilité sans produire de défauts.

Les plastiques bio-sourcés comme le PLA, le PHA et le bio{{1}PE se développent dans les applications-en contact avec les aliments. Ces matériaux ont des caractéristiques de traitement très différentes de leurs équivalents à base de pétrole-. Les conceptions de moules peuvent nécessiter des taux de refroidissement ajustés, des tailles de portes différentes et des systèmes d'éjection modifiés par rapport aux matériaux traditionnels.

Pour les marques qui traversent cette transition, travailler avec une usine de moulage par injection expérimentée qui a réellement produit des pièces dans des qualités vierges et bio-fait une différence substantielle entre les essais-et-le succès de la production.

La sélection des matériaux est directement liée à la conformité réglementaire :

Pratique standard ASTM D3641 pour le moulage par injection

Normes d'identification des matières plastiques ISO 1043

FDA 21 CFR pour les matériaux en contact avec les aliments (pertinent pour les applications PS de qualité alimentaire-)

RoHS et REACH pour les boîtiers électroniques (pertinent pour l'électronique grand public)

IATF 16949 pour les applications automobiles (pertinent pour les systèmes d'engrenages de véhicules)

Règlement UE 10/2011 pour les matériaux plastiques en contact avec les aliments

Une documentation correspondant à ces normes doit accompagner toute livraison d'outils provenant d'un fournisseur sérieux - non pas après coup, mais en tant que livrable de projet standard.

Voici un scénario que nous voyons souvent. Une marque grand public demande si un moule peut produire la même pièce en ABS, PC-mélange d'ABS et-PC chargé de verre - pour simplifier son inventaire et réduire les investissements en outillage.

Sur le papier, cela semble raisonnable. Les trois matériaux produisent des pièces à peu près similaires lorsqu’ils sont moulés par injection. En pratique, les taux de retrait diffèrent suffisamment (0,5%, 0,6%, 0,3%) pour qu'une même cavité produise des pièces dont les variations dimensionnelles dépassent la tolérance spécifiée par le client d'un facteur 2 à 3 fois.

La véritable solution : une base de moule partagée avec trois jeux d'inserts d'empreinte interchangeables, chacun étant découpé pour compenser le taux de retrait spécifique de ce matériau. Le coût est d'environ 1,6 fois celui d'un seul moule au lieu de 3 fois - une économie significative - tout en fournissant des dimensions correctes pour chaque matériau.

Ce type de projet est exactement la raison pour laquelle la conversation initiale avec votre fournisseur sur les matériaux et les quantités exactes est si importante. Que vous recherchiez un moule d'injection de gobelets en plastique PS multi-cavités pour des emballages à grand volume-, un moule d'injection d'engrenages de moteur de précision pour les assemblages d'engrenages industriels ou un produit cosmétiqueMoulage par injection de coquille de sourispour l’électronique grand public, la décision matérielle détermine tous les autres choix techniques en aval.

Les matériaux plastiques se divisent en trois familles : amorphes (ABS, PS, PC), semi-cristallins (POM, PP, PA66) et techniques (PEEK, PPS, plastiques techniques chargés).

Les taux de retrait varient de 4 à 6 fois selon les matériaux, affectant considérablement les dimensions de la cavité

47 % des retouches de moules proviennent d'une inadéquation de matériaux-moule (données ASTM)

L'acier du moule doit correspondre au matériau : P20 pour usage général, NAK80 pour les cosmétiques, S136/H13 pour les plastiques techniques.

Différents produits naturels s'associent à différentes familles de polymères :Moulage par injection de coquille de sourisutilise généralement de l'ABS, le moulage par injection d'engrenages de moteur utilise du POM, le moulage par injection de tasses en plastique PS utilise du PS

Les plastiques recyclés et bio-exigent des délais de traitement plus larges lors de la conception des moules.

Verrouillez les spécifications des matériaux avant le début de la conception des outils - cela détermine toutes les autres décisions d'ingénierie

Que votre projet ait besoin de pièces cosmétiques en ABS, d'engrenages de précision POM, d'emballages PS ou de matériaux d'ingénierie spécialisés, la bonne conception de moule commence par la bonne décision en matière de matériaux. Entamez cette conversation dès l'étape DFM et le reste du projet se déroulera sans problème.

Sunhingstones propose un examen DFM spécifique aux matériaux-pour les trois catégories de produits : - outils de moulage par injection de gobelets en plastique PS pour les emballages à grand volume-, conceptions de moules par injection d'engrenages de moteur pour les engrenages industriels de précision et programmes de moulage par injection de coques de souris pour les boîtiers d'appareils électroniques grand public.

Contactez maintenant