Les matières thermoplastiques possèdent naturellement des propriétés mécaniques qui, selon le matériau, confèrent aux pièces moulées par injection leur robustesse, leur durée de vie, leur résistance ainsi que d'autres caractéristiques. Le nylon est robuste. Les polycarbonates ont une bonne résistance en température. Les TPE sont flexibles et absorbent les chocs. L'acrylique offre une très grande transparence. Selon la géométrie et l'application d'une pièce, la matière de base pourra donner d'excellents résultats, mais quand la performance d'un plastique standard doit être améliorée, on peut mélanger au matériau des additifs tels que fibres de verre, céramique ou charges minérales de renforcement.
Chez Protolabs, les fibres de verre sont l'additif le plus couramment utilisé dans résistance des pièces par rapport à des matières correspondantes non renforcées, mais si les pièces sont plus robustes elles sont aussi plus cassantes. Si une pièce n'est pas soumise à d'importantes contraintes de choc ou de flexion, par exemple, et si elle est utilisée dans un environnement stable où sa fonction est simplement de supporter un poids, un renforcement par fibres de verre est une bonne solution.
Une pincée d'ingrédients dans la recette des thermoplastiques
Comment les additifs comme le verre et les colorants peuvent améliorer les propriétés cosmétiques et fonctionnelles des pièces moulées
Les développeurs de produits utilisent souvent des matériaux renforcés verre pour rendre leurs pièces plus robustes.
Les pourcentages de charge varient mais se situent généralement dans une fourchette de 13 à 45% pour les plastiques que nous stockons comme pour ceux que nos clients nous fournissent. Les matières renforcées verre de Protolabs sont notamment les suivantes : ABS, nylon, acétal, polycarbonate, LCP (polymères à cristaux liquides), PBT, PET, PPS et matières haute performance comme les PEEK et PEI.
L'ajout de fibres de verre affecte également le processus d'injection. Une fibre est un brin dont la longueur est égale à celle du granulé. Les fibres standard mesurent environ 3 mm de long et les fibres de verre longues peuvent avoir une longueur de 9 à 12 mm selon l'extrusion. Si on se représente la fibre comme un poisson et le nombre de fibres comme un banc de poissons, lorsque le matériau s'écoule dans l'empreinte, ces poissons sont alignés dans le sens de la longueur et nagent dans la matière. Lorsque le banc de poissons arrive au niveau d'une broche noyau qui crée un trou dans la pièce, les poissons doivent se séparer pour contourner l'obstacle. Ceci modifie l'angle du brin. Par conséquent, plus il y a de géométries formant obstacle au flux de matière et plus l'angle des brins les uns par rapport aux autres devient aléatoire.
Les fibres de verre restreignent le taux de retrait de la matière de base. Cette restriction est différente lorsque les brins sont dans le sens de la longueur et lorsqu'ils sont perpendiculaires. Ceci produit un retrait non linéaire et crée un risque de gauchissement en augmentant les contraintes internes. Les matières non renforcées présentent un retrait uniforme en refroidissant alors que les fibres de verre créent différents facteurs de retrait : dans le sens du flux et transversalement. Il est très difficile de prévoir ce changement de retrait avec des géométries comportant de nombreux trous, des changements de longueur et de forme et des changements d'épaisseur nominale de paroi. Un renforcement verre améliore les performances mais augmente aussi les risques.
Comme pour toute matière, renforcée verre ou non, on peut améliorer l'écoulement en arrondissant la géométrie de la pièce. Il est en effet plus facile pour la matière de s'écouler autour d'angles arrondis et de congés que contre un angle à 90°. Une épaisseur de paroi uniforme aide la matière à refroidir partout à la même vitesse. Une dépouille aide votre mouliste à plus tasser la pièce dans le moule afin de mieux remplir la section transversale. Lisser le trajet du flux de matière en plaçant le point d'injection au niveau de l'axe longitudinal de la pièce, et minimiser les trous débouchants et les tournants dans votre pièce vous aideront à conserver l'alignement des fibres de verre avec le retrait prévu dans l'empreinte du moule. L'attention que vous prêterez à ces problèmes aidera votre mouliste à réduire les risques inhérents aux charges de fibres.
On utilise, quoique beaucoup moins régulièrement, de faibles pourcentages de charges céramiques et minérales afin d'obtenir des pièces offrant une résistance accrue en température. Tout comme le verre, ces charges rendent les pièces plus robustes mais aussi plus cassantes. Pour ces pièces, nous mettons en garde contre les risques de fissuration ou d'écaillage en cas de choc.
Pensez aussi à la forme de votre matière de charge. La fibre de verre est longue et mince ; elle a une orientation dans le sens de la longueur. Les charges minérales tendent à être des flocons plats de différentes dimensions qui ont une orientation. La poudre est symétrique, elle remplit bien et se répartit plus régulièrement dans la section transversale de la pièce. Le risque de gauchissement dû au renforcement est donc réduit. En général, elle ne change pas non plus un taux de retrait uniforme en taux de retrait linéaire. Elle pourra seulement réduire légèrement le taux de retrait. Les billes de verre sont un autre type de renforcement dont la forme est sphérique. Imaginez une piscine à balles. Les billes s'empilent bien et augmentent le fléchissement thermique du matériau, mais elles n'augmentent généralement pas la résistance structurelle à la différence des renforcements en fibres de verre. Les billes reposent uniformément sur le fond et leur effet sur des taux de retrait uniformes est minimisé. Cette fois encore, il sera utile de réduire les contraintes internes dues à la matière de charge.
Protolabs peut aussi maintenant traiter certain plastiques thermo-conducteurs en fonction de la géométrie et de la facilité de remplissage du moule. La gamme de thermoplastiques thermo-conducteurs CoolPolyT utilise une matière de charge spéciale et propriétaire pour créer ses propriétés conductrices qui se situent entre celles du plastique et du métal. Ce matériau est intéressant pour ceux qui veulent réduire le poids de leurs pièces et bénéficier de plus de liberté de conception. N'oubliez pas cependant que les géométries difficiles comme les parois minces et les petits détails peuvent exclure l'emploi de matériaux thermo-conducteurs.
Protolabs utilise généralement un mélange à 3% de colorant saupoudré.
Changeons maintenant de sujet et passons des additifs qui modifient les propriétés mécaniques des matières plastiques à ceux qui modifient leur apparence : les colorants. Protolabs propose une sélection de colorants que nous pouvons ajouter à une matière de base sans supplément de prix. Les couleurs des thermoplastiques de base sont essentiellement le noir, le naturel et le transparent et on peut ajouter un colorant à ces deux dernières couleurs. Nous utilisons généralement un mélange à 3% de colorant saupoudré (voir la vidéo), et des pourcentages plus faibles pour les matières transparentes comme le polycarbonate. Notez que le mélange n'offre pas une totale correspondance de couleur. Même lorsqu'un matériau peut accepter un colorant particulier, la couleur des pièces est approximative. Si vous téléchargez un modèle CAO 3D, notre système ProtoQuote indiquera automatiquement les colorants compatibles avec les différents matériaux. Protolabs pourra parfois se procurer des colorants particuliers pour répondre à vos besoins, votre ingénieur de notre service clientèle pourra vous renseigner.
Si la couleur de votre produit doit correspondre exactement ou si votre produit nécessite l'utilisation de plusieurs additifs pour assurer les performances de vos pièces et de la matière sélectionnée dans l'environnement prévu, vous devrez fournir à votre mouliste une matière prémélangée. Cela signifie qu'un fournisseur de plastiques comme Plastribution ou Albis mélangera tous les additifs dans un granulé afin de garantir une répartition et une couleur uniformes. Tous les granulés sont identiques et constitués du même matériau prémélangé alors que dans un mélange saupoudré la dispersion des granulés est aléatoire.
Les ingénieurs de notre service clientèle ne sont pas spécialistes en matériaux ; ils connaissent toutefois très bien l'utilisation de matières courantes en fonction du secteur d'activité et de la géométrie. Ils peuvent aider à fournir des solutions de rechange possibles ou suggérer deux ou trois matières qui pourraient convenir. La simple exécution de tests sur quelques matières vous aidera à affiner une géométrie qui répondra à vos besoins. Pour obtenir des informations plus détaillées sur les thermoplastiques et leurs propriétés, téléchargez notre dossier technique gratuit Questions de matière.