Considérations de conception pour le surmoulage de plastiques ou d'inserts métalliques
Guide des options de surmoulage et de liaison entre deux matières plastiques ou avec insert métalliques
Le surmoulage est un processus de moulage par injection qui permet d'ajouter une couche de résine supplémentaire à une pièce moulée existante afin de conférer une combinaison de caractéristiques ne pouvant être fournie par aucune autre matière. L'une des applications les plus courantes consiste à ajouter une couche de matière souple, fonctionnelle, adaptée à la main, généralement un TPE (élastomère thermoplastique), sur un support dur. Une autre consiste à modifi er ou optimiser l'apparence ou l'aspect esthétique d'une pièce en la surmoulant au moyen d'une matière d'une couleur ou d'une finition différente. Le surmoulage trouvera donc des applications dans de nombreux domaines : dispositifs médicaux, produits grands public (brosses à dents, stylos), ensembles nécessitant des joints d'étanchéité, applications automobiles etc.
En tant que processus de fabrication, le surmoulage peut fournir une excellente adhésion entre diff érentes matières et ainsi éviter des opérations d'assemblage manuelles. En réduisant la complexité de l'assemblage, il peut ainsi contribuer à la réduction des coûts et à l'accélération de la mise en marché des produits. Un autre avantage significatif du surmoulage, est qu'il offre au concepteur les caractéristiques combinées de deux matières, élargissant l'étendue des possibilités techniques.
Il existe deux méthodes principales de surmoulage - la bi-injection et le surmoulage différé - le premier utilisant un seul moule de production tandis que le second se sert de deux moules.
La sélection de matière en vue du surmoulage peut s'avérer compliquée. Les résines de support et de surmoulage peuvent se compléter, mais pour assurer leur effi cacité, elles doivent être compatibles. Les choix varient non seulement en fonction de l'application de la pièce surmoulée mais également du fait de la méthode utilisée pour la produire. Le processus et les résultats sont plus complexes pour le surmoulage que pour le moulage simple. Il est donc judicieux d'obtenir l'avis d'experts lors de la sélection des matières et de la conception.
La bi-injection par rapport au surmoulage différé
La bi-injection nécessite un seul moule dans lequel le support est moulé dans une empreinte, puis immédiatement surmoulé dans une autre. Il s'agit généralement d'un processus automatisé. Dans le cas du surmoulage diff éré, un lot complet de supports est moulé dans un premier moule. Ces supports sont ensuite placés dans un second moule dans lequel est injectée la résine de surmoulage afin de produire les pièces finies.
Il existe trois méthodes principales de bi-injection :
- Le surmoulage par transfert est un process selon lequel les supports moulés sont déplacés par un robot depuis une empreinte vers l'empreinte de surmoulage. La matière surmoulée est injectée afin de remplir l'espace vide de la seconde empreinte, pendant que, dans le même temps, le support suivant est produit dans la première empreinte.
- Le surmoulage rotatif est un autre processus automatisé selon lequel une rotation des empreintes du moule d'un poste d'injection à un autre permet l'injection du support et en parallèle de la pièce surmoulée.
- Le surmoulage avec noyau amovible peut être utilisé uniquement pour certaines géométries très spécifiques. Le moule est réalisé avec un coulisseau qui est retiré après injection et durcissement du support, afin de libérer la cavité en vue du surmoulage.
Les trois méthodes de bi-injection déposent une couche de matière surmoulée sur un support chaud, ce qui favorise la liaison chimique. Elles nécessitent également toutes trois un équipement spécialisé (presse bi-matières) et des moules coûteux, mais étant hautement automatisées, elles sont rentables pour la production de grandes séries, généralement de plus de 10 000 pièces et souvent de 100 000 pièces ou plus.
Le surmoulage différé utilise deux moules complètement séparés. Un lot de supports est fabriqué dans un moule, puis il est refroidi. Ensuite, ces supports sont placés dans un second moule plus grand pour être surmoulés. Ce processus utilise des équipements et moules moins complexes que ceux associés aux méthodes de bi-injection, et les réglages sont simplifiés.
Comparaison des méthodes de surmoulage
Si le placement manuel de supports dans les moules secondaires est plus lent qu'avec les processus robotisés, il permet généralement de réaliser des productions de petites à moyennes séries de pièces plus rapidement et à un coût considérablement inférieur. La plus grande difficulté associée au surmoulage diff éré concerne la réduction de liaison chimique entre les matières surmoulées et les supports (qui sont froids). Pour optimiser la liaison, les supports doivent être manipulés avec précaution afin d'éviter la contamination des surfaces, laquelle pourrait avoir un impact sur la liaison. De plus, une sélection de matières adaptées permet également de favoriser une bonne liaison lors de ce processus.
| Facteurs justifiant le surmoulage bi-injection | Facteurs justifiant le surmoulage différé |
|---|---|
| Grand volume de production, généralement supérieur à 10 000 pièces. |
Faible volume de production—généralement inférieur à 10 000 pièces. |
| Certitude concernant la conception et les matières utilisées pour la totalité du lot de fabrication. |
Besoin de prototypage pour tester la conception ou ou les matières, et éventualité de modification. |
| Le temps et l'argent nécessaires pour investir dans des moules et un processus coûteux. |
Nécessité de commercialiser rapidement produits |
| Absence de liaisons mécaniques dans la conception entre le support et le surmoulage. |
Une très bonne compatibilité entre matières de support et surmoulage, qui assurera une bonne liaison chimique. |
Le rôle de la liaison
La liaison entre les couches de résine permet d'empêcher une séparation des couches de résine. En fonction de la géométrie de la pièce, les liaisons peuvent être soumises à plusieurs forces susceptibles de désolidariser les couches.
À savoir :
- traction directe
- cisaillement
- arrachement qui commence généralement à un bord et se propage le long de l'interface séparant les matières.
La solidité de la liaison est un critère particulièrement important lorsque la matière de surmoulage est un élastomère, qui peut fléchir et se détacher du support.
Il existe deux méthodes principales selon lesquelles les couches sont liées. L'une concerne la liaison chimique effective au niveau de l'interface entre les deux couches de résine, et l'autre est une liaison mécanique, qui dépend de la géométrie physique au niveau de l'interface. Une liaison acceptable s'obtient par le biais d'une combinaison associant la conception de pièce, la sélection des matières, la conception des moules et le processus de moulage.
La liaison chimique se produit au niveau moléculaire et elle est affectée par plusieurs facteurs. Le premier se rapporte à la capacité de mouillabilité du support par la matière surmoulée injectée. Une meilleure mouillabilité permet un plus grand contact entre les deux matières et une plus grande opportunité de liaison. Il s'agit du résultat d'une combinaison des températures des matières, de la viscosité de la matière surmoulée, et de la texture et de la porosité de la surface du support. Au niveau de l'interface, la liaison peut s'effectuer de trois façons différentes :
- enchevêtrement mécanique des molécules de polymère
- co-cristallisation
- réaction chimique entre les chaînes macromoléculaires.
La liaison peut également induire une combinaison des trois, et une surface texturée augmente la surface sur laquelle peut s'effectuer la liaison. Outre la compatibilité nécessaire des résines mêmes, la présence d'additifs, de charges et de certains traitements de surface peut réduire les interactions chimiques des matières de support et de surmoulage.
Les plasturgistes et les fournisseurs de matière peuvent représenter une source précieuse pour identifi er les résines compatibles entre elles et répondant au cahier des charges de performance de la pièce, et permettant d'assurer une liaison optimale. Le traitement peut également avoir un impact signifi catif sur la liaison. C'est notamment le cas pour le surmoulage diff éré. Dans ce procédé, on laisse le support refroidir avant le surmoulage, et il est à la fois exposé à l'environnement et manipulé durant le processus. Il est crucial que le fabriquant empêche l'accumulation d'impuretés sur la surface du support durant le stockage et la manipulation afi n d'optimiser la liaison, Protolabs accordant une attention particulière à cet aspect des opérations.
Une liaison mécanique peut être utilisée à la place de ou en combinaison avec la liaison chimique. Lorsque la résine surmoulée s'écoule dans les trous du support, notamment si les trous sont « en queue d'aronde » pour s'élargir à la base, la matière surmoulée refroidie est assujettie au support. Parmi les autres méthodes permettant d'optimiser la liaison chimique fi gure le fait d'entourer le support à l'aide de matière surmoulée ou d'augmenter la surface de l'interface avec des rainures, des cavités, des tiges ou des bossages. Un support grainé permet de disposer de minuscules reliefs où peut s'accrocher un élastomère afi n de former une liaison mécanique. Pour empêcher un risque de détachement, éviter les bords exposés de la matière surmoulée. Un bord de matière de support surélevé peut protéger les bords de l'élastomère surmoulé au niveau desquels un détachement pourrait commencer.
| Matières du support | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Matières du surmoulage | ABS POLYLAC PA-717C | ABS/PC BAYBLEND T65 XF | PC MAKROLON 2458 | PBT CELANEX 2002-2 | PP MOPLEN RP348R | NYLON 66 ZYTEL 70G30HSLR |
| TPU Pearlthane 11T85 | C | C | C | C | M | M |
| TPV Salink 3170 | M | M | M | M | C | M |
| TPE Thermolast K TC6 MLZ | C | C | C | M | M | M |
| LSR Elastosil 3003/30 A/B | - | - | M | M | - | M |
| TPC Hytrel 4068FG | C | C | C | C | M | M |
M = Liaison mécanique recommandée C = Liaison chimique
Matières de surmoulage
Il existe des milliers de combinaisons possibles de matières de support et de surmoulage. Quelques exemples des possibilités les plus courantes sont inclus dans le tableau mentionné plus haut, mais si des caractéristiques spéciales sont nécessaires, les fournisseurs de matières peuvent identifi er bon nombre d'autres options.
Outre la compatibilité et la liaison, un certain nombre de facteurs ont une incidence sur le choix de résine en vue du surmoulage. Si l'objectif vise l'amortissement, l'épaisseur de la matière surmoulée peut être aussi importante que la souplesse de la matière même. La flexibilité réelle d'une matière n'est pas liée directement à sa dureté ou au duromètre. Mesure plus performante, le module de fl exion mesure la résistance d'une matière à la flexion. Une matière dotée d'un module de flexion inférieur produira une plus grande impression de souplesse. Et tandis que des résines diverses conviennent au surmoulage, des élastomères tels que Versafl ex peuvent être formulés spécialement pour les applications de surmoulage.
Si l'objectif du surmoulage vise à optimiser l'adhérence, le coefficient de friction d'une matière indique dans quelle mesure sa surface présentera une impression tactile. Par exemple, les élastomères thermoplastiques (TPE) possèdent généralement un coefficient de friction élevé. Comme pour le cas de l'amortissement, le duromètre ne représente pas une mesure fi able de l'adhérence d'une matière. De nombreuses résines, notamment des thermoplastiques et des thermodurcissables, peuvent off rir des caractéristiques étendues, il peut donc s'avérer judicieux de consulter des experts lors du choix de qualité de résine adaptée à une application spécifique.
Surmoulage sur plastique par rapport au surmoulage d'insert métallique
À l'instar du surmoulage, le surmoulage d'insert injecte une résine sur une autre matière, mais au lieu d'utiliser un support en plastique, l'autre matière est généralement du métal, et la matière plastique injectée est habituellement un plastique rigide. Les composants électriques en métal ou les pièces en métal personnalisées sont souvent intégrés au plastique selon cette méthode. De la même façon, des inserts fi letés peuvent être moulés dans des pièces en plastique afi n d'assurer un assemblage plus durable des composants en plastique tels que les coques d'appareil. Le surmoulage d'insert constitue une alternative à l'insertion à chaud de pièces en métal ou d'un soudage par ultrason, des processus selon lesquels une pièce en plastique moulé est fondue localement pour permettre l'insertion d'une pièce en métal. Le surmoulage d'insert permet un contrôle optimisé et une meilleure encapsulation que les autres méthodes. Les inserts surmoulés éliminent également la nécessité d'un processus d'installation d'insert secondaire, d'où une économie de temps et d'argent.
Les inserts étant en métal, ils doivent être placés dans un moule dans lequel ils seront encapsulés dans du plastique. Ceci peut être eff ectué par robotisation pour une grande série, mais dans le cas de petites à moyennes séries, c'est un processus manuel. Il n'y a aucune liaison chimique entre les inserts en métal et le plastique, de sorte que les inserts et la pièce plastique doivent être conçus en vue d'une liaison mécanique
Protolabs accepts les inserts pré-fabriqués suivant : PEM, Dodge, Tri-Star, Spirol et Tappex.
Pourquoi utiliser le surmoulage plastique et le surmoulage d'insert ?
Si le surmoulage nécessite une conception, un traitement et un choix de matières plus complexes que le moulage basic, il offre les avantages suivants :
- Il permet de combiner les matières afi n d'off rir des caractéristiques qu'aucune résine ne peut off rir à elle seule.
- Il peut éliminer les étapes d'assemblage, d'où une économie de temps et d'argent.
- Il permet de souder des matières d'une façon ne pouvant être égalée par des processus d'assemblage.
- Les inserts confèrent une résistance et une durabilité supplémentaires aux pièces.
Réduction des coûts
Le surmoulage peut réduire les coûts de production. Tandis que le moulage par injection standard permet de combiner plusieurs pièces en un seul et unique moule à plusieurs empreintes, le surmoulage permet de produire une seule pièce composée de matières diff érentes, sans nécessiter d'assemblage. La production de moule est plus compliquée mais elle élimine le coût récurrent d'assemblage de milliers de pièces. Il existe diverses façons de produire des pièces surmoulées et choisir celle qui convient à vos besoins - temps de mise sur le marché, volume de production total et éventualité de changement apporté au produit - peut contribuer à déterminer laquelle sera la plus efficace.
Temps d’exécution rapide
Le surmoulage peut contribuer à accélérer la mise sur le marché des produits. Une fois les moules créés, le surmoulage, sous n'importe quelle forme, peut s'avérer un processus bien plus rapide que les processus nécessitant un assemblage. Les processus de surmoulage bi-injection conviennent davantage aux importants volumes de production, c'est-à-dire de plus de 10 000 pièces. Le surmoulage diff éré est plus économique pour de petits volumes se chiff rant à quelques milliers. Tandis que la conception et la fabrication de moules biinjection peuvent nécessiter un délai d'un mois ou plus, le surmoulage diff éré peut produire des pièces réalisées en quelques semaines en vue du prototypage, d'essais sur le marché ou de la production de moules de pré-série pendant que les moules bi-injection sont en cours de fabrication. Toutefois, dans l'un ou l'autre cas, une fois le ou les moules réalisés, il est possible de procéder rapidement à la production de séries.
Prototypage et petites séries
Le surmoulage diff éré convient parfaitement aux petites à moyennes séries de pièces de production. Plus de main-d'oeuvre étant nécessaire que pour le surmoulage bi-injection, le coût de production par pièce au moyen de cette technique aura tendance à être plus élevé, mais cette méthode élimine le coût et le délai extrêmement élevés de la production de moules bi-injection complexes. Le coût total du moulage diff éré aura tendance à être inférieur à celui de la bi-injection pour les séries de moins de 10 000 pièces. Ce processus peut également servir à produire des prototypes avant un investissement dans des moules bi-injection en vue de la production de grandes séries. Si la rapidité de mise sur le marché revêt une importance critique, il peut s'avérer judicieux de faire appel au surmoulage diff éré en attendant le démarrage de la production à grande échelle. Et pour les marchés où les pièces sont soumises à une reprise fréquente de la conception, le surmoulage diff éré réduit le risque en permettant une reprise de la conception pour un coût nettement inférieur à celui des moules bi-injection.
Plage d'applications
Le surmoulage est largement utilisé dans des secteurs allant des produits de consommation à l'automobile et aux composants électroniques, mais il convient particulièrement bien aux applications médicales et de soins de santé. Les appareils en contact, pénétrant ou étant insérés dans le corps peuvent être associés à des exigences rigoureuses et présenter des fonctions complexes. Il est possible qu'ils doivent résister à la chaleur en vue de la stérilisation, à une exposition chimique, et qu'ils aient à être conformes à des normes comprenant notamment les normes FDA, USP Catégorie VI, ISO 10993 et la biocompatibilité. Dans de nombreux cas, une seule et même résine ne peut pas satisfaire à toutes ces exigences. Aux fi ns de sécurité et de stérilité, il se peut que plusieurs matières s'accouplent pratiquement sans joint, domaine où le surmoulage excelle. Il existe de nombreuses raisons d'utiliser le surmoulage, notamment les suivantes :
- L'une des raisons les plus courantes concerne le confort et l'adhérence. Les élastomères souples sont fréquemment moulés sur un support dur afi n d'obtenir une adhérence sûre et anti-glissement sur divers articles tenus à la main, des outils manuels aux appareils divers.
- La matière surmoulée étant généralement un élastomère, l'étanchéité, l'absorption des chocs et l'amortissement des vibrations constituent également des applications courantes.
- Une autre application courante concerne l'aspect esthétique ; le support peut comporter un motif en creux rempli au moyen du matériel de surmoulage, dans une couleur contrastée permettant de créer du texte, un logo ou une autre conception.
- Le surmoulage peut modifier les caractéristiques de la surface d'une pièce pour lui conférer des qualités électriques ou thermiques différentes, ou encore d'autres attributs environnementaux.
- Il peut également servir à capturer ou à encapsuler un élément dans une autre matière.