Pourquoi la science des matériaux est essentielle pour l’interaction entre les pièces
Le rôle que jouent la compatibilité des matières, l’adhérence, le frottement et l’usure dans la conception des pièces moulées.
Même une pièce moulée par injection parfaitement conçue peut être inadéquate si elle est fabriquée dans une mauvaise matière, et il est souvent difficile de choisir, parmi plusieurs centaines de thermoplastiques et d’élastomères, ceux qui répondront aux exigences de l’application. C’est pourquoi une multitude de facteurs tels que la résistance mécanique, la résistance chimique et aux rayons ultraviolets, le pouvoir lubrifiant, la résistance à l’usure, etc. doivent être soigneusement évalués lors de la sélection des matières pour le moulage par injection.
Ce choix devient encore plus difficile avec les pièces surmoulées, pour lesquelles les concepteurs doivent non seulement respecter plus attentivement les principes de moulage, mais aussi s’assurer que les liens chimiques et physiques entre les matières choisies sont à la fois solides et durables. Ce conseil aborde trois domaines clés que les concepteurs doivent connaître lorsqu’ils étudient des pièces moulées : compatibilité des matières, adhérence et tribologie.
Frottement et usure
Commençons par un terme que l’on ne mentionne pas souvent dans les ateliers de fabrication. La tribologie est l’étude du frottement et de l’usure qui se produisent entre deux surfaces en mouvement l’une par rapport à l’autre. Cela peut concerner l’interaction entre les clips et les languettes d’un conteneur à fermeture rapide, par exemple. Un ingénieur qui s’intéresse à la tribologie des pièces se pencherait probablement moins sur les liaisons chimiques et mécaniques nécessaires pour surmouler une poignée d’outil électrique (car elle ne doit pas glisser sur son support, à supposer que la conception soit correcte), et plus sur la préhension et les sensations communiquées par la matière de surmoulage elle-même.
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3 questions à se poser sur les interactions entre les matières |
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Frottement et usure Compatibilité Adhérence |
Dans l’exemple du clip, un polymère résistant à l’usure comme le PEHD pourrait être un bon choix, bien qu’une matière relativement lubrifiante de type l’acétal puisse également être un candidat envisageable. Ces deux matières ont leurs propres avantages qui doivent être soigneusement pesés au début du processus de développement. Mais la conception même du produit peut aussi jouer un rôle tribologique important. Les surfaces qui interagissent les unes avec les autres doivent être lisses, pour éviter que d'éventuelles aspérités ne s’accrochent et ne se rompent avec un usage répété.
La méthode utilisée pour fabriquer la pièce joue également un rôle. Dans l’exemple du clip, qui peut facilement s’étendre à toute pièce en plastique dont les surfaces s’emboîtent ou s’imbriquent, une finition usinée est différente d’une impression en 3D, tout comme une surface moulée par injection (que sera probablement plus lisse que les deux premières). Le message ici est que les différentes caractéristiques des pièces doivent être soigneusement analysées et testées avant d’aller trop loin dans la conception lorsqu’une interaction se produit.
Voici un autre exemple. Les inserts métalliques sont une option souvent utilisée par les clients de Protolabs. Que vous ayez besoin d’une douille en bronze dans une pale de ventilateur, d’un manchon en acier inoxydable dans une poulie en plastique ou d’un écrou en laiton fileté dans un bouton d’équipement, vous ne rencontrerez pas de difficulté pour placer ce type d’inserts dans des pièces moulées par injection. La compatibilité des matières ne pose guère de problème, et le plus grand obstacle auquel le concepteur sera confronté est de s’assurer de la bonne liaison mécanique lorsque le plastique est injecté sur et autour de l’insert. Cela dit, le bronze et le laiton constituent des paliers à faible coût, mais sont plus sujets à l’usure qu’un véritable roulement à billes. Posez-vous cette question : votre modèle répond-il aux exigences à long terme du produit ? Une bonne compréhension de la tribologie aidera à résoudre cette question et bien d’autres.
Compatibilité matérielle
Certains soutiennent que le surmoulage est l’un des procédés les plus pratiques appliqués aux pièces en plastique depuis l’invention des moules à injection. C’est une excellente option partout où l’on a besoin d’une matière souple adaptée à l’utilisateur sur un noyau structurel - un manche d’instrument, par exemple, ou un boîtier d’équipement électronique de poche - ou lorsque l’on souhaite avoir plusieurs couleurs pour des raisons esthétiques. Il existe de nombreuses informations en ligne sur la conception pour le processus de surmoulage, sur la nécessité d’une bonne liaison mécanique ainsi que sur la compatibilité chimique entre les deux matières adjacentes.
On se rassurera : une multitude de matières chimiquement compatibles sont disponibles. Par exemple, Protolabs propose le TPV Sarlink 3170, un thermoplastique élastomère dur 75 shore A noir, qui forme une forte liaison chimique avec le polypropylène, ce qui le rend adapté à une grande variété d’applications automobiles et de consommation. Il y a le TPC Hytrel 4068FG un élastomère thermoplastique résistant à la chaleur et aux produits chimiques qui s’associe parfaitement à l’ABS, au polycarbonate, etc. Par contre, le nylon fait partie des supports les plus difficiles à surmouler en raison de ses tendances à absorber l’humidité, mais il reste une matière appréciée dans toute une série d’applications.
Adhérence
Mais ces considérations ne suffisent pas. Leur conception peut avoir un effet important sur le niveau d’adhérence des pièces surmoulées. La limite du revêtement sur le substrat doit être très nette pour éviter un effilochage ou un amincissement - pensez à utiliser une rainure ou un épaulement pour créer un point d'arrêt franc. Le gauchissement et les amorces de déchirure peuvent être éliminés en plaçant la limite à un endroit qui constitue une butée fixe pour le TPE souple, mou et très fluide. Si votre revêtement est trop mince - disons moins de 1,5 mm d’épaisseur - la matière pourrait refroidir trop rapidement pour une bonne adhérence. Des rapports longueur/épaisseur élevés peuvent causer des problèmes similaires.
Il faut également tenir compte des caractéristiques thermiques individuelles des deux matières lors du surmoulage. Vous pouvez choisir le caoutchouc de silicone liquide (LSR) pour son excellente résistance à la chaleur et aux produits chimiques, sa flexibilité à basse température et son pouvoir lubrifiant, mais n’oubliez pas que le LSR durcit à 150 à 200 °C, une température trop élevée pour que l’ABS, le polyéthylène, le polypropylène et un certain nombre d’autres thermoplastiques puissent résister. L'éventation est également importante, car des brûlures, une adhérence insuffisante et un remplissage imparfait de l’empreinte - injections incomplètes - peuvent se produire dans un moule mal éventé.
L’adhérence chimique des pièces surmoulées est délicate. La limite du revêtement sur le support doit être nette pour éviter un effilochage ou un amincissement. Utilisez une rainure ou un épaulement pour créer un point d’arrêt. Le gauchissement et les amorces de déchirure peuvent être éliminés en plaçant la limite à un endroit qui constitue une butée fixe pour le TPE souple très fluide. La figure de gauche montre le substrat en gris et le TPE et le gauchissement potentiel en bleu. À droite, le su le substrat est gris et le TPE est jaune, avec indication de l’arrêt du TPE.
Il est assez facile de vérifier le tableau de compatibilité en ligne, mais si vous préférez mettre en oeuvre votre propre matière, il vaut mieux consulter votre fournisseur de plastique pour obtenir des conseils sur le moulage et l’application. C’est particulièrement vrai si vous utilisez un mélange de polymères sur mesure, ce que font de plus en plus de clients de Protolabs. Sachez que les colorants, tout comme de grandes quantités d’additifs de type métal ou verre, peuvent créer des problèmes d’adhérence. Notre conseil est de toujours fabriquer quelques pièces et de les tester minutieusement avant de lancer des séries plus importantes.
Respecter les directives de conception
La liste des exemples est longue, les combinaisons de polymères possibles presque infinies. C’est pourquoi il est important de vérifier avec quelqu’un qui connaît les aléas de l’adhérence des polymères et de la compatibilité chimique dès le début du processus de conception, pour s’assurer que A) les matières choisies s’accordent bien, B) la pièce et l’assemblage surmoulé peuvent être fabriqués compte tenu de vos plans actuels, et C) que les matières auront une bonne réponse tribologique, c’est-à-dire qu’elles sont suffisamment glissantes, résistantes à l’usure ou adhérentes pour les besoins du produit.
C’est un moment où il est particulièrement important de respecter les conseils de Protolabs. L’utilisation d’un plastique chargé en additifs peut vous aider à répondre aux exigences de votre produit, mais elle peut aussi vous obliger à consacrer plus de temps à sa conception ; la « plage idéale » de moulabilité se réduit de plus en plus à mesure que les additifs plastiques augmentent, et devient encore plus difficile avec des pièces très complexes.
Pour autant, il ne faut pas s'inquiéter, toutes ces situations sont tout à fait gérables, il suffit d’accorder un peu plus d’attention au processus de conception et éventuellement de revoir le choix des matières. Et en cas de doute, appelez Protolabs, même si vous n’êtes qu’au stade des expérimentations initiales. Grâce à notre personnel compétent, à notre processus de devis automatisé et à l’analyse de moulabilité gratuite, même les matières les plus difficiles chimiquement sont faciles à maîtriser.
Comme toujours, si vous avez des questions, n’hésitez pas à contacter nos équipes au 04 56 64 80 50 ou [email protected].