Comment choisir le matériau en acier pour moules à injection ?

Quand les ingénieurs pensent à unMoulage par injection d'engrenages de moteur, l'attention est généralement portée sur la géométrie de la cavité, la disposition du refroidissement et la stratégie de déclenchement. La sélection de l’acier peut ressembler à un détail à confier au mouliste. En pratique, le choix de l’acier détermine cinq éléments importants tout au long du programme de production :

Durée de vie du moule - nombre de cycles exécutés par l'outil avant la remise à neuf des forces d'usure ou de fatigue

Stabilité dimensionnelle sous charge cyclique - si le profil de la dent conserve sa forme sur des millions de tirs

Durabilité de l'état de surface - durée pendant laquelle une surface polie ou texturée reste conforme aux spécifications

Intervalle et coût de maintenance - à quelle fréquence l'outil nécessite une attention particulière et combien coûte chaque intervention

Compatibilité avec le plastique moulé - si l'acier résiste à la corrosion ou aux attaques chimiques de la résine ou de ses additifs

Prendre cette décision dès la phase de conception est l'une des étapes préventives les plus rentables-disponibles. Une étude de 2020 publiée dans leJournal de technologie de traitement des matériauxont découvert que les inadéquations dans la sélection de l'acier pour moules -, principalement en raison de-spécifications de dureté pour les résines abrasives -, étaient responsables d'environ 28 % des coûts d'outillage imprévus dans un groupe interrogé de 85 programmes de moules de production. Pour un outil d'engrenage de précision en particulier, où les tolérances dimensionnelles sur les dents d'engrenage sont serrées et les matériaux abrasifs sont courants, les conséquences d'un acier sous-spécifié sont directes et mesurables.

Moulage par injection d'engrenages de moteur

Un tel outil traitant du nylon chargé de verre-ou du PBT chargé de minéraux-a des exigences spécifiques qui se traduisent directement par des exigences en matière d'acier.

Le renfort en fibre de verre dans des matériaux comme le PA66 GF30 est très abrasif - et érode progressivement les surfaces des cavités, de manière plus critique sur les flancs des dents d'engrenages où la précision dimensionnelle détermine la qualité du maillage. Un moule par injection d'engrenages de moteur avec des tolérances dimensionnelles de ±0,02 à 0,05 mm sur le profil des dents ne peut pas tolérer une usure progressive qui déplace ces dimensions après 200 000 cycles.

Les spécifications correctes pour un outil à engrenages fonctionnant avec des résines chargées abrasives :

Inserts pour cavité et noyau : H13 à HRC 50–52 minimum ; 8407/SKD61 dont les objectifs de durée de vie en production dépassent 2 000 000 de tirs

Traitement de surface : revêtement PVD TiN sur les surfaces des cavités dentaires pour une protection maximale contre l'usure dans les applications à haute teneur en -verre-

Base de moule : P20 ou équivalent - la base n'est pas confrontée aux mêmes exigences d'usure que les inserts d'empreinte

La spécification du P20 pour un moule par injection d'engrenages de moteur utilisant des résines techniques chargées est un mode de défaillance documenté. Cela peut sembler acceptable au cours des 100 000 premiers cycles, mais la dérive du profil des dents s'accélère à partir de ce moment et devient un problème de qualité de production avant que le moule n'atteigne la moitié de sa durée de vie prévue.

Moulage par injection de coquille de souris

Un moule d’injection de coque de souris utilisant un mélange ABS ou ABS/PC a des exigences fondamentalement différentes de celles d’un moule à engrenages. L'ABS est un matériau à faible-abrasion - l'usure de la surface de la cavité est beaucoup plus lente qu'avec les résines chargées. L'exigence dominante est la qualité cosmétique de la surface et son entretien à long terme.

Pour unMoulage par injection de coquille de sourisavec des exigences cosmétiques haut de gamme, le NAK80 (pré-HRC 40-43 pré-durci) est le choix approprié le plus courant pour les programmes allant jusqu'à environ 800 000 tirs. Pour les programmes plus longs, le H13 à HRC 48-50 avec polissage haut de gamme offre une meilleure durée de vie au prix d'un travail de polissage plus exigeant.

Moulage par injection plastique de voiture jouet

Un moule d'injection plastique pour voiture jouet utilise généralement de l'ABS ou du PP -, deux matériaux non-abrasifs - à des volumes élevés. Le choix de l'acier approprié dépend principalement de l'objectif de durée de vie de production :

Jusqu'à 600 000 prises : le P20 est adéquat et rentable-efficace

600 000 à 1 500 000 tirs : H13 durci jusqu'à HRC 48–52 est l'investissement approprié

Au-dessus de 1 500 000 tirs : H13 ou 8407/SKD61 à HRC 50–54 avec nitruration de surface ou revêtement PVD

BeaucoupMoulage par injection plastique de voiture jouetles opérations utilisent P20 pour l'outillage initial sur les nouveaux produits, passant à H13 si le produit devient un succès commercial à long terme - - une approche pragmatique qui évite de sur-investir dans des outils durs pour des prévisions de volume incertaines.

Un moule d'injection de production utilise différents aciers dans différentes zones, adaptés aux besoins réels de chaque zone :

Cavité et inserts de noyau : les composants de précision qui forment la pièce. Ceux-ci sont confrontés à l’usure la plus élevée, nécessitent les tolérances les plus strictes et doivent conserver l’état de surface. Utilisez la qualité appropriée à l'application (H13 pour les programmes de moules à engrenages exigeants ; NAK80 pour les boîtiers cosmétiques ; P20 pour les outils non abrasifs à volume modéré-non-).

Plaques de base du moule et composants structurels : le cadre qui maintient le moule ensemble. L'acier pré-trempé P20 ou équivalent- est généralement adéquat - ces composants ne nécessitent pas la dureté de surface ou la résistance à l'usure des inserts de cavité.

Goupilles d'éjection et curseurs : H13 à HRC 48–52 ou broches en acier dédiées. Ceux-ci sont confrontés à des charges mécaniques cycliques et à l’usure des contacts au niveau des interfaces mobiles.

Plaques d'usure et bagues de guidage : H13 ou équivalent à HRC 50–54 pour une résistance à l'usure maximale au niveau des surfaces de glissement.

L'utilisation de H13 dans l'ensemble du moule -, y compris les plaques de base du moule -, augmente les coûts de manière significative sans améliorer les performances. Concentrer l’acier de qualité supérieure là où cela compte est la bonne approche.

Les résines chargées de verre-imposent des taux d'usure à l'acier moulé considérablement plus élevés que leurs équivalents non chargés. Les données publiées sur les tests d'usure montrent que les résines chargées de verre- provoquent une usure de la surface de la cavité environ 10 à 30 fois plus élevée que les équivalents non chargés du même polymère de base.

Pour tout ce moule ou autre outil de précision destiné à couler ces matériaux :

Teneur en verre supérieure à 20 % : H13 à HRC 50–54 minimum ; envisager un revêtement PVD TiN ou TiAlN sur les surfaces-d'usure les plus élevées (flancs de dents d'engrenage, zones de seuil)

Matériaux ignifuges-avec additifs halogénés : acier inoxydable S136 ou H13 avec traitement de surface résistant à la corrosion-

Matériaux chargés de minéraux- : H13 avec une dureté située dans la partie supérieure de la plage de spécifications.

Un moule par injection pour engrenages de moteur qui sous-estime la contribution à l'usure de son contenu de charge devra remplacer les inserts de cavité bien avant sa durée de vie nominale -, un coût qui dépasse de loin la modeste prime pour la mise à niveau vers un acier approprié dès le départ.

Une étude enTribologie Internationale(2021) ont comparé les taux d'usure du P20, du H13 (HRC 50) et du S136 sous un contact de moulage par injection simulé avec du PA66 chargé de verre-. H13 a montré un taux d'usure inférieur de 73 % à celui de P20 ; cela se traduit directement par une durée de vie prolongée de l'outil et une dérive dimensionnelle réduite dans le contexte de l'outil.

Recherche enJournal de technologie de traitement des matériaux(2020) ont constaté que la rugosité de la surface de la cavité augmentait 3 fois plus rapidement dans les outils P20 utilisant le GF30 PP par rapport aux outils H13 dans des conditions identiques.

Les données de l'enquête SPE (2021) ont identifié l'usure prématurée des moules due à une dureté d'acier inférieure-spécifiée comme la deuxième cause la plus courante de dépenses d'outillage imprévues, après l'insuffisance du système de refroidissement.

Un fournisseur d'automatisation industrielle utilisait un outillage d'engrenage dans P20 pour un petit engrenage planétaire utilisé dans un actionneur. Le matériau était du PA66 GF30. Après environ 180 000 cycles sur un moule d'engrenage de précision conçu pour 1 200 000 personnes, l'inspection dimensionnelle a montré que le diamètre primitif de l'engrenage avait augmenté de 0,04 mm -, suffisamment pour affecter la qualité du maillage et générer du bruit.

L’inspection du moule a confirmé l’usure superficielle des flancs des dents. La cavité du moule d'injection d'engrenage de moteur avait été sous--spécifiée en raison de la teneur en verre du matériau.

Sunhingstones a remplacé les inserts de cavité et de noyau par du H13 à HRC 52, avec un revêtement TiN PVD sur les surfaces de la cavité dentaire.

Résultats à 500 000 cycles sur les plaquettes de remplacement : variation du diamètre primitif de +0.005mm - inférieure à 15 % de l'usure du P20 à cycles équivalents. Le moule à engrenages devait atteindre 1 500 000+ cycles avant la remise à neuf - dépassant largement l'objectif du programme de cinq -ans. Le coût de remplacement de la plaquette a été récupéré en huit mois par rapport à la trajectoire de remise à neuf de l'outil d'origine.

La sélection de l'acier dans un moule d'injection d'engrenage de moteur, un moule d'injection de coque de souris ou tout autre outil d'injection de précision est une décision prise une seule fois et vécue pendant toute la durée de production du programme. Sous-spécifier signifie une usure prématurée, une remise à neuf imprévue et des interruptions de production. Sur-spécifier signifie payer pour des performances dont l'application n'a pas besoin.

Le bon choix - H13 pour les applications de moules d'engrenages de précision exigeantes et à grand volume ;- ; NAK80 ou P20 pour les travaux cosmétiques ou à volume modéré - - est atteint grâce à une analyse disciplinée du matériau, du volume, des exigences de surface et de l'objectif de durée de vie.

Chez Sunhingstones, les spécifications de l'acier font partie de notre processus DFM standard pour chaque projet de moule d'engrenage, de moulage par injection de coque de souris et de moulage par injection plastique de voiture jouet. Nous documentons la qualité, la dureté, le traitement thermique et le raisonnement recommandés afin que les clients comprennent exactement ce qu'ils obtiennent et pourquoi.

Contactez maintenant

1.Roberts, GA et al. Aciers à outils, 5e édition. ASM International, 1998. https://www.asminternational.org/
2.Chen, X. et al. "Comportement à l'usure des aciers pour moules P20 et H13 dans des conditions de moulage par injection PA66 chargé de verre." Tribology International, Vol. 158, 2021. https://www.sciencedirect.com/journal/tribology-international
3.Zhang, Y. et al. "Dégradation de la surface de la cavité dans le PP rempli de verre P20 vs H13." Journal of Materials Processing Technology, Vol. 285, 2020. https://www.sciencedirect.com/journal/journal-de-technologie de traitement des matériaux--