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Tolérances pour le moulage par injection

Cet article résume les principaux facteurs influençant les tolérances dans le cas des pièces moulées par injection. Il présente également quelques astuces pour réduire leur impact.

En termes de conception et de fabrication pour le moulage par injection, un dimensionnement convenable et des tolérances strictes font partie des éléments les plus critiques. Les performances de la pièce fabriquée peuvent être sévèrement affectées, parfois même jusqu’à la rupture, si ces indications ne sont pas scrupuleusement suivies en amont de la conception. C’est d’autant plus vrai pour les pièces complexes en plastique moulées par injection. En règle générale, les tolérances habituelles en moulage par injection sont de l’ordre de +/-0,1mm, mais elles peuvent aller jusqu’à +/- 0,025 mm si on a besoin d’être plus strict.

Facteurs influençant les tolérances d’une pièce et comment réduire leur impact

Contraction

Le taux de contraction varie selon les matériaux utilisés, mais plus il est élevé, moins il sera possible de satisfaire à des tolérances strictes. Les matériaux à structure cristalline (comme le PEEK, le PA ou le PP) sont connus pour tenir moins bien les tolérances, comparés aux matériaux amorphes (comme le PE, le PC ou le PS), principalement en raison du fait que les premiers subissent un changement de phase, passant d’un solide cristallin (avec une structure moléculaire relativement dense) à un liquide en fusion amorphe (par définition beaucoup moins dense), ce qui entraîne fatalement une variation de volume. 

Les matériaux amorphes, à l’inverse, sont moins sujets à la contraction car ils demeurent amorphes, y compris une fois entrés en fusion. Par conséquent, ils ne subissent pas ces changements de volume drastiques.

Résines amorphesRésines semi-cristallinesCoût
Haute performance / Utilisation spécialisée
Polyétherimide (PEI)
Résistance : élevée
Tolérance à la chaleur et aux attaques chimiques : élevée
Domaine(s) d’application : aérospatiale
Haute performance / Utilisation spécialisée
Polyétheréthercétone (PEEK)
Résistance : élevée
Tolérance à la chaleur et aux attaques chimiques : élevée
Domaine(s) d’application : roulements, implants médicaux
Élevé
Ingénierie
Polycarbonate (PC)
Transparent
Résistance : modérée
Tolérance à la chaleur : élevée
Isolation électrique : élevée
Domaine(s) d’application : fenêtres, électricité
Ingénierie
Polyamide ou PA (Nylon)
Résistance : modérée à élevée
Tolérance aux attaques chimiques : élevée
Résistance aux abrasions : élevée
Contraction et déformation : bas
Domaine(s) d’application : textile, pièces automobiles
Modéré
Biens de consommation courants
Polystyrène (PS)
Transparent
Résistance : basse
Tolérance à la chaleur : basse
Domaine(s) d’application : coutellerie, gobelets
Biens de consommation courants
Polypropylène (PP)
Élasticité et solidité : élevées
Tolérance aux attaques chimiques : élevée
Résistance à la fatigue : élevée
Domaine(s) d’application : bouteilles, boîtes et caisses, charnières flexibles
Faible

Les moules utilisés pour le moulage par injection sont usinés avec précision en CNC, soit à partir d’acier, soit à partir d’aluminium, pour satisfaire habituellement à des tolérances de +/-0,1 mm à +/-0,7 mm. Une fois injecté dans le moule, le plastique en fusion refroidit et se contracte. Le taux de contraction dépend de la résine ou du type de plastique utilisé. La taille d’un moule usiné est toujours légèrement plus grande que la pièce à mouler, ceci afin de prendre en compte la contraction de la matière première au cours de son refroidissement.

Comment réduire le phénomène de contraction

Chaque matériau ayant des taux de contraction différents, il est préférable de faire des essais au préalable afin d’avoir un aperçu du taux de contraction du plastique choisi. Vous pouvez jeter un œil ici pour en apprendre davantage sur le comportement en contraction de différents plastiques.Bien que le taux de contraction soit hautement prédictible, il peut être affecté par de très légères variations de la résine, ce qui aura un impact direct sur les tolérances finales de la pièce.

Ces variations deviennent plus importantes à mesure que la taille de la pièce augmente, c’est pourquoi, selon le matériau utilisé, il est préférable de prévoir des tolérances de l’ordre de +/- 0,05 mm/mm à cause de la contraction. À titre d’exemple, cela donne, pour une pièce ABS de 100 mm, des tolérances avoisinant +/- 0,28 mm, sachant que la répétabilité d’une pièce à l’autre est excellente, et que les déviations sont peu prononcées, voire inexistantes.

Déformation 

Toutes les pièces se contractent au cours de leur refroidissement dans le moule. Celles dont les parois sont uniformément épaisses se contracteront de façon uniforme et ne présenteront donc pas de déformations et de retassures. Des parois non uniformes, en revanche, se refroidiront et se contracteront à des rythmes différents, accroissant le taux de déformation intrinsèque propre à la pièce considérée.

Comment réduire le phénomène de déformation

Dans la mesure du possible, il faudra que les parois soient uniforme. Si cela n’est pas possible, il faudra, à minima, éviter que les variations d’épaisseur n’excède l’épaisseur nominale de plus de 15%. Les variations d’épaisseur brutales doivent également être évitées, en utilisant des transitions plus homogènes ou coniques afin de garantir un moulage efficace. Le tableau ci-dessous montre les épaisseurs de paroi recommandées (selon les matériaux) pour éviter les déformations.

MatériauÉpaisseur de paroi recommandée
ABS 1,1 mm à 3,5 mm
Acétal0,7 mm à 3,0 mm
Acrylique0,6 mm à 12 mm
Polymères à cristaux liquides0,7 mm à 2,9 mm
Plastiques renforcés à fibres longues1,9 mm à 27 mm
Nylon0,7 mm à 2,9 mm
Polycarbonate1 mm à 3,8 mm
Polyester0,6 mm à 3,1 mm
Polyéthylène0,7 mm à 5 mm
Polysulfure de phénylène0,5 mm à 4,5 mm
Polypropylène0,88 mm à 3,8 mm
Polystyrène0,88 mm à 3,8 mm
Polyuréthane2 mm à 19 mm

Jetez un œil sur nos astuces de conception pour le moulage par injection.

Dilatation thermique

La température est un autre facteur à prendre en considération lors de la phase de conception. Arriver à tenir des tolérances strictes avec la plupart des plastiques ou des résines peut s’avérer être un vrai défi en raison de la dilatation thermique. En effet, les pièces plastiques sont tout à fait capables de tenir des tolérances serrées sous environnement contrôlé, mais cela ne signifie pas qu’elles seront capables de maintenir leurs dimensions sur la durée et lorsqu’elles sont soumises à des changements de températures, en particulier au cours d’un usage extérieur en conditions réelles. Cela devient d’autant plus critique lorsque les pièces plastiques sont combinées avec d’autres matériaux (des métaux, par exemple) et qu’elles sont utilisées dans un environnement soumis à des variations importantes de températures.

Comment réduire le phénomène de dilatation thermique

Le comportement des plastiques étant influencé à la fois par l’environnement et les conditions extérieures de température, il est nécessaire pour les ingénieurs de connaître à l’avance le matériau idéal à utiliser pour le moulage par injection. Choisir un matériau inadapté, dont la réponse aux conditions environnementales ne peut être prédite de façon fiable, rendra impossible la tenue de tolérances un tant soit peu serrées.

Il faut généralement partir du principe que le coefficient de dilatation thermique des plastiques est relativement élevé. De plus, il est nécessaire de bien distinguer les tolérances sous environnement contrôlé de celles en conditions réelles, afin d’éviter les défaillances à l’usage. Les matériaux ULTEM et PEEK, par exemple, sont plus résistants thermiquement que les matériaux ABS ou PC.

Conception de la pièce

Quand il s’agit de déterminer les tolérances d’une pièce, il s’agit sans doute du facteur le plus critique. Passer du temps à améliorer un projet en phase de conception est presque toujours payant sur le long terme : non seulement cela aide à assurer la tenue de tolérances strictes en production, mais cela permet également d’en accroître la qualité, d’en faciliter la fabrication, d’en réduire les coûts et, sur le long cours, d’assurer la satisfaction de l’utilisateur final.

Que ce soit la géométrie de la pièce, sa taille globale ou les exigences sur l’épaisseur des parois, tous ces facteurs ont une influence sur la façon dont les tolérances vont être tenues. Des parois épaisses auront tendance à se contracter différemment aux sections les plus larges, rendant la tenue des tolérances d’autant plus compliquée. La taille de la pièce aura un impact, surtout si les parties les plus larges présentent des tolérances serrées (il est en effet plus facile de tenir ce genre de tolérances sur les zones de taille réduite). Plus les dimensions sont élevées, plus le taux de contraction au global est important, ce qui accroît d’autant plus la difficulté à tenir des tolérances strictes.

Solution

Identifier les tolérances les plus strictes le plus en amont de la phase de conception permet aux ingénieurs de déterminer plus finement les facteurs qui auront le plus d’impact sur les tolérances du moulage par injection (comme la géométrie de la pièce ou l’épaisseur des parois). Afin d’éviter des taux de contraction inégaux, qui peuvent déboucher sur des déformations ou altérer l’efficacité de la pièce et sa capacité à tenir des tolérances serrées, il faudra s’attacher le plus possible à maintenir une épaisseur de paroi uniforme sur l’intégralité de l’ouvrage. Dans la plupart des cas, certains éléments additionnels, comme les nervures ou les goussets, fournissent un support permettant de se passer de parois plus épaisses.

Ribs and gussets design for injection moulding
Il est possible d’ajouter des nervures et des goussets pour renforcer une pièce

Complexité de la pièce

La complexité de la pièce aura un impact, car elle va affecter directement la vitesse à laquelle le matériau en fusion va se propager dans le moule  ainsi que la conception de ce dernier. Pour assurer la tenue des tolérances, il est important que la matière première remplisse toutes les cavités rapidement. Maintenir le moule à température appropriée et maîtriser correctement le processus de refroidissement sont tout aussi importants.

Solution 

Les solutions suggérées ici sont davantage du ressort du fabricant. Néanmoins, le concepteur pourra les trouver intéressantes à son niveau. Il est recommandé de faire en sorte que le projet conserve, autant que possible, un certain degré de simplicité, en évitant notamment les contre-dépouilles. Si ce genre de complexité ne peut être évité, alors il faudra s’attacher à concevoir un moule à action latérale. Un outillage correctement conçu permet de garantir un refroidissement approprié, ce qui est un élément critique permettant de satisfaire à des standards de tolérances plus stricts.

En monitorant la pression d’injection, la viscosité de la résine et le temps de remplissage du moule, les ingénieurs peuvent garantir que la pression, le chauffage et le refroidissement demeurent dans des limites acceptables. Des analyses de remplissage du moule peuvent être nécessaires pour obtenir des prédictions plus exactes des facteurs ayant une influence sur la tenue des tolérances (température du moule, chauffage et refroidissement, contraction et déformation).

Outillage

Quand on parle de moulage par injection, il existe trois types d’outillages :

  • Outillage à cavité simple : permet de fabriquer une pièce à la fois pour une seule injection de plastique
  • Outillage à cavités multiples : permet de produire plusieurs pièces identiques à la fois pour une seule injection de plastique
  • Outillage multi-empreintes : permet de produire toutes les pièces d’un même assemblage en une seule injection de plastique
Représentation des trois types d’outillages pour le moulage par injection

Le choix du matériau pour l’outillage et sa conception, ainsi que la mise en forme des cavités, constituent les principaux facteurs ayant un impact sur la possibilité de satisfaire aux tolérances désirées. La nécessité de chauffer et de refroidir l’outillage, de même que le nombre de cavités qu’il comporte, peuvent rendre particulièrement difficile la tenue de tolérances strictes, en particulier si l’outillage n’est pas en mesure de garantir un refroidissement uniforme et répétable, car cela entraînera un accroissement du taux de contraction sur la durée, avec des tolérances non respectées.

À titre d’exemple, un outillage multi-empreintes ou à cavités multiples comportera, par définition, plus de cavités, ce qui nécessitera un accompagnement plus fin du processus de refroidissement. Satisfaire à des tolérances serrées peut être d’autant plus difficile que les cavités de l’outillage sont conçues de telle façon qu’elles peuvent facilement entraîner des défaillances, soit en raison de leur conception elle-même, ou alors à cause de facteurs externes (comme la pression ou la température de l’outillage). 

Solution

Les solutions suggérées ici sont davantage du ressort du fabricant. Néanmoins, le concepteur pourra les trouver intéressantes à son niveau. Le processus de fabrication implique un nombre significatif de facteurs qui, tous, peuvent affecter la viabilité et la qualité de la pièce produite. D’où l’importance de contrôler précisément ses procédés de fabrication afin de calibrer finement ces facteurs pour minimiser les déviations associées.

L’inclusion de capteurs de température et de pression dans le moule permet d’obtenir des données en temps réel sur ces paramètres, ce qui est vital dans une optique de contrôle des procédés, en donnant aux fabricants la capacité d’effectuer des ajustements rapides en cas de variations inacceptables. Une fois ces facteurs domptés, l’outillage sera tout à fait à même de produire des pièces avec des déviations minimum, y compris sur les tolérances les plus strictes. Les analyses de remplissage du moule sont une autre méthode permettant de déterminer les conditions du moulage.

Autres considérations

La chose la plus importante à prendre en compte avant de démarrer la fabrication, c’est de déterminer si des tolérances serrées constituent effectivement une exigence pertinente pour un ouvrage donné. En effet, selon son usage final, de telles tolérances peuvent s’avérer superflues. Les ingénieurs en charge de la conception utilisent les outils CAO pour fixer les tolérances, mais ces outils répercutent généralement les tolérances choisies sur toutes les dimensions du projet, y compris celles où ces tolérances ne sont pas nécessaires. En réalité, il est fort probable que la pièce conçue n’ait pas besoin de tolérances aussi strictes, qui se traduisent souvent en surcoûts au niveau de la production et du développement. 

Conclusion

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