INJECTION PLASTIQUE. Lycée Jules Haag. Auteur : Linher Jerome

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1 INJECTION PLASTIQUE Lycée Jules Haag Auteur : Linher Jerome

2 YCEE GENERALITES 4 INTRODUCTION 4 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 4 DESCRIPTION DU CYCLE DE MOULAGE 4 TYPE DE FERMETURE PRESSE 6 FERMETURE MECANIQUE SIMPLE ET DOUBLE GENOUILLERE 6 FERMETURE HYDRAULIQUE VERIN 6 FERMETURE MIXTE HYDRAULIQUE ET MECANIQUE 7 STRUCTURE D UN MOULE DEUX PLAQUES 7 DEMARCHE DE CONCEPTION D UN MOULE 9 ANALYSE FONCTIONNELLE DEFINITIONS DES FONCTIONS 9 FONCTION MISE EN FORME 10 CHOIX DU PLAN DE JOINT 10 LES NOYAUX 13 DIMENSION DE L EMPREINTE - LE RETRAIT 13 FONCTION ALIMENTATION 15 TERMINOLOGIE 15 BUSE 16 CANAUX D ALIMENTATION 16 SEUIL D INJECTION 18 FONCTION EJECTION 21 DEPOUILLE 21 RECOMMANDATIONS 21 EJECTEURS CYLINDRIQUES 22 EJECTEURS TUBULAIRES 22 EJECTION PLAQUE 22 ARRACHE CAROTTE 23 Page 2 / 26

3 CLASSIFICATION DES OUTILLAGES 23 MOULE DEUX PLAQUES 23 MOULE TROIS PLAQUES 23 MOULE A TIROIR 23 VERIFICATION CAPACITES MACHINES 24 CALCUL DU VOLUME INJECTE 24 POURCENTAGE DE DECHET 24 FORCE DE VERROUILLAGE MINIMALE 25 RESSOURCES 26 CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES DE LA PRESSE BABYPLAST 26 Page 3 / 26

4 Généralités Introduction L'injection plastique est l'un des procédés le mieux adapté à la production en série de pièces microtechniques. L'importance prise par ce procédé dans la production des pièces microtechniques nous conduit vers l'étude des pièces injectées, la conception des outillages d'injection ainsi que leur mise en œuvre. Principe de fonctionnement Ce procédé permet d'obtenir des pièces dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 6 mm avec des géométries complexes. Le moulage par injection consiste à ramollir (état visqueux) la matière thermoplastique (TP), puis de la malaxer au niveau de la vis de plastification. Elle est ensuite injectée sous forte pression. L injection sous forte pression du polymère fondu dans un moule froid à une ou plusieurs empreintes. Au contact des parois froides, la matière se solidifie en forme puis l'objet peut être démoulé. Caractéristiques des Presses : Un standard Européen "Euromap" définit les caractéristiques des presses. Exemples : 1) 900 H ) La Babyplast 6/6 M 3) La plus grosse presse (Billion) => Pour mouler des pièces d'une surface de 2 m2 et de 80 kg : grosses poubelles collectives. Description du cycle de moulage Page 4 / 26

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6 Type de Fermeture Presse Fermeture mécanique Simple et Double genouillère L avance rapide de la partie mobile est assurée par la genouillère. Le verrouillage du moule est fourni par la mise en traction des colonnes de la machine, au moment où le moule est verrouillé. La genouillère est actionnée par un vérin hydraulique. Ce système est très simple mais n assure pas une force de fermeture constante et reste difficile à régler. + - Force de Système fermeture non simple constante Diamètre vérin faible Vitesse de fermeture diminue naturellement Reglage difficile Faible Course Fermeture simple genouillère Fermeture à double genouillère offre une plus grande force de fermeture Fermeture hydraulique Vérin - + Effort de fermeture Déplacement lent Réglage simple Fabrication coûteuse Fermeture double genouillère Un seul vérin hydraulique (à plusieurs étages parfois) assure le déplacement de la partie mobile et le verrouillage du système. Ce dispositif offre une grande force de fermeture, mais reste un dispositif lent. Sécurité de fonctionnement Entretien coûteux Fermeture vérin hydraulique Page 6 / 26

7 Fermeture Mixte Hydraulique et Mécanique Fermeture mixte Un seul vérin hydraulique (à plusieurs étages parfois) assure le déplacement de la partie mobile et le verrouillage du système. Ce dispositif offre une grande force de fermeture, mais reste un dispositif lent. + Fabrication - et entretien Course correct limitée Réglage facile Structure d un moule deux plaques Un moule standard est constitué de 2 parties : une partie s'adaptant sur le plateau fixe des presses : c'est le coté INJECTION, «partie fixe» une partie fixée sur le plateau mobile : c'est le côté ÉJECTION, «partie mobile». Le côté injection du moule possède généralement une partie des empreintes ainsi qu'une partie du système d'alimentation. Cette alimentation standard est constituée de la carotte, d'un canal principal, éventuellement avec des canaux secondaires et un (ou plusieurs) seuil(s) d injection. Ces divers éléments forment la grappe d alimentation, matière perdue, ou déchet, qui dans la plupart des cas sont recyclée. La buse assure la liaison temporaire d alimentation entre le moule et l'unité d'injection des presses. Le côté éjection, constituant la partie mobile du moule, porte les noyaux, l'empreinte et le système d'éjection. Les 2 côtés du moule sont alignés en position entre eux par des colonnes. A l ouverture, les pièces sont poussées hors de l empreinte et des noyaux par des tiges nommées éjecteurs. Les éjecteurs sont animés par des plaques mobiles en translation. Cet ensemble, nommé batterie d éjection. La batterie est généralement équipée d éjecteurs ou de broches, nommés «rappels de batterie». Ils assurent le retour mécanique «forcé» et la remise en position précise de tous les éléments mobiles liés à la batterie d'éjection, au moment de la fermeture du moule (montage conseillé pour la sécurité des noyaux). Page 7 / 26

8 Microtechniques Injection Plastique Colorier et identifier les différents éléments constitutifs d un moule sur la figure suivante. Légende : Partie Fixe Partie Mobile Batterie Ejection Buse Guidage Page 8 / 26

9 Démarche de conception d un moule Analyse fonctionnelle Définitions des fonctions FP (Fonction Principale) : FC1 (Fonction Contrainte) :. FC2 (Fonction Contrainte) :. FC3 (Fonction Contrainte) :. FC4 (Fonction Contrainte) :. FC5 (Fonction Contrainte) :. Page 9 / 26

10 Fonction Mise en Forme Détaillons les contraintes relatives à la réalisation de la fonction mise en forme. Choix du plan de joint Définition Plan de joint : Ligne de joint : Etude de cas On s intéresse aux différentes configurations de plan de joint possible concernant la pièce suivante. a) Configuration Avantage : + + Inconvénients : - Page 10 / 26

11 b) Configuration 2 Avantages : +. Inconvénients : -. c) Configuration 3 Avantages : + Inconvénients : - Page 11 / 26

12 c) Configuration 4 Géométriquement, il est possible de définir une partie mobile et une partie fixe permettant d'obtenir notre pièce. Par contre, A l'ouverture du moule, on s'aperçoit que la pièce reste "bloquée" dans la partie fixe. Il est donc impossible d'éjecter la pièce. Cette position de plan de joint n'est donc pas recevable. La pièce est emprisonnée dans la partie fixe. d) Configuration 5 Tiroir escamotable Avec cette orientation de pièce, il convient d utiliser un tiroir escamotable pour pouvoir procéder au démoulage. Partie Mobile Partie Fixe Inconvénient : - Page 12 / 26

13 Les noyaux - Ils donnent les formes en creux de la pièce. - Ils doivent être solidement implantés et fixés dans l'empreinte, car ils sont très sollicités lors de l'injection et lors de l'éjection de la pièce. - Les noyaux ainsi que les broches ont l'inconvénient de diviser la matière ce qui entraîne des zones fragiles dites soudures froides et également des défauts d'aspect. - Pour certaines formes il est nécessaire de prévoir l'orientation du noyau. - Comme pour les empreintes rapportées, les noyaux doivent être fixés soigneusement (l'ajustement serré est à proscrire). Dimension de l empreinte - Le retrait Lorsque l'on chauffe un corps, la distance intermoléculaire augmente, et par conséquent son volume. Donc après avoir injecté un volume de matière (ex: à 200 C pour le PS), lors du refroidissement à 20 C, on observe une diminution du volume de la pièce. Retrait = L évaluation précise du retrait est toujours difficile, quelle que soit la matière plastique. Il convient, même pour les professionnels de procéder à des expérimentations. Le retrait est en fonction de nombreux paramètres (épaisseur des parois, température du flux, temps de maintien en pression, pression d injection). Retrait (%) Retrait (%) 2,5 3, ,5 2, ,5 1, Température Moule ( C) 1,3 2,5 3,8 5 6,4 7,5 Epaisseur (mm) Page 13 / 26

14 Retrait (%) Retrait (%) 2, ,5 1 0,5 1,5 1 0, Pression (bars) Temps maintien (s) Le retrait avec l'élévation de la température du moule. Le retrait avec l'épaisseur des parois de la pièce. Le retrait avec la pression d'injection. Le retrait avec le temps de maintien. Application : Déterminer les dimensions de l'empreinte permettant d'obtenir la pièce ci contre Matière Polypropylène (PP). a b c (Les paramètres de temps de maintien, de pression et de température du moule étant optimum. ). Il convient de déterminer les valeurs des cotes, a,b,c,d et e. e d 15 5 Retrait (%) 3,5 3 2,5 2 1,5 1,3 2,5 3,8 5 6,4 7,5 Epaisseur (mm) Page 14 / 26

15 Le retrait est fonction de la matière principalement. Titre d information, voici quelques valeurs de retrait moyen. Fonction alimentation But : Amener la matière plastique à l'état visqueux de la buse de la presse vers l'empreinte à l'aide d'un réseau plus ou moins complexe de canaux. Terminologie Page 15 / 26

16 Buse Recommandation relative à la buse Afin d'extraire la carotte de la buse lors de l'ouverture du moule, il faut : Canaux d alimentation Fonction : Conduire la matière plastique de la buse jusqu'aux seuils ou canaux secondaires. Implantations des Canaux : Règle de conception Règles de conception : - Il faut éviter d'alimenter les empreintes les unes au travers des autres. Les dernières cavités ne recevront que de la. - Il faut que la longueur des canaux - Afin de limiter les pertes de charges, il faut éviter les, et donc placer des congés de raccordement. - Il faut également réduire Quelques exemples de dispositions. Agencement déséquilibré Page 16 / 26

17 1 2 Disposition en série Disposition en cercle La disposition en cercle permet facilement d'avoir la même longueur d'écoulement pour chaque cavité, et permet également d'avoir facilement des nombres impairs de cavités. La disposition en série permet en pratique un plus grand nombre de cavité dans un même espace. 6 Forme et dimensions Le refroidissement dans les canaux est directement proportionnel à au périmètre de la section du canal. Afin de remplir dans les meilleures conditions le moule, il est nécessaire que la matière plastique se refroidisse le moins possible avant d'atteindre l'empreinte. - La section circulaire est donc la géométrie optimale à privilégier. - Difficile à usiner, on lui préférera parfois les sections parabolique et trapézoïdale. - Les sections semi circulaire et carré sont à proscrire. Zone à fort refroidissement Section circulaire Avantage : Inconvénient : Usinage des deux parties du moule, donc coût plus élevé. Page 17 / 26

18 Section parabolique Avantage : W Conicité 5% W = 1,25 x D D= Smax + 1,5 mm Inconvénient : Perte de chaleur et refroidissement plus important qu'avec un canal rond. D W Conicité 5% W = 1,25 x D D= Smax + 1,5 mm D Section trapézoïdale Avantage : Solution alternative à la forme parabolique. Inconvénient : Perte de chaleur et refroidissement plus important qu'avec la forme parabolique. Section semi circulaire et carré Facilement usinable, ces solutions favorisent les pertes de chaleur et donc un refroidissement plus important. Seuil d injection Il établit la relation entre le canal d'alimentation et l'empreinte. Il doit être le plus faible possible afin de ne pas laisser de trace sur la pièce et permettre la séparation de la pièce et du déchet d alimentation (carotte + canaux). La réduction importante de la section d entrée impose à la matière une accélération violente et un réchauffement considérable. On limitera la longueur du seuil à 0,5-1,5 mm. Page 18 / 26

19 Injection Direct Dans le cas des pièces exigeant un maintien en pression prolongé (généralement des pièces à paroi épaisse), la méthode la plus simple consiste à prévoir une injection directe par la carotte. Principal inconvénient : Injection latérale C'est une solution que l'on rencontre très couramment. L'emplacement excentré du seuil d injection permet : Injection latérale décalée Assez proche de l'injection latérale, cette configuration minimise l'effet de jet libre. On notera que la marque laissée sur la pièce est plus importante que dans la cas d'un simple seuil latéral. Injection en éventail C'est un type particulier d'entrée latérale servant à injecter les sections planes minces. Ce seuil étale la matière en la répartissant uniformément dans l'empreinte. Cette entrée contribue à réduire les déformations et elle convient à l'injection des pièces rectangulaires. La surface de l'entrée doit être toujours inférieure à la surface de la section droite du canal qui l'alimente. Inconvénient : Page 19 / 26

20 Emplacement des seuils L'emplacement des seuils d'injection est également très important. Si l'alimentation est prévue à proximité d'une broche, il y a un risque de flexion de celle-ci. Dans le cas d'une alimentation au niveau d'une broche, on veillera à assurer un remplissage équilibré de l'empreinte (limitation de la flexion). Remplissage de l empreinte : L expérience montre que le remplissage d une pièce d épaisseur non constante, le remplissage ne s effectue pas de manière homogène. Point d injection Il convient donc dans la mesure du possible lors de la conception de concevoir des pièces avec des parois d épaisseur constante. Le remplissage d'une pièce plus complexe conduit parfois à la création d'une ligne de soudure lorsque deux flux de plastique à trop basse température se rejoignent. La pièce finale présente un défaut d'aspect. Ligne de soudure. Rencontre de deux fronts de plastiques à trop basses température. Defaut d'aspect Page 20 / 26

21 Afin de ne pas avoir de ligne de soudure, il faut envisager de placer plusieurs seuils d'injection sur la pièce. Dans notre configuration, deux seuils d'injection en vis à vis déplaceront la ligne de soudure éventuelle au centre de la pièce. En fait, les deux fronts de matières se rencontreront à plus haute température, atténuant ainsi les défauts d'aspects. Fonction Ejection Après solidification de la matière injectée, le moule est ouvert et la pièce (ou les pièces) formée doit être éjectée. Cette évacuation doit être réalisée sans rupture de la pièce, ni marques, ni déformation et sans efforts importants. Cette fonction est assurée par des dispositifs mécaniques, pneumatiques ou hydrauliques. Dépouille Pour faciliter l'extraction et l'éjection des pièces hors du moule, il est recommandé de prévoir une dépouille d'environ 1/2 à 2 par côté, Dépouille 8 sur les faces intérieures et extérieures de la pièce. Non Démoulable Démoulable Recommandations Plan de joint Lors de l ouverture, la pièce doit rester sur la partie mobile car le système d attelage de la presse se trouve du côté mobile. - L'extraction doit être possible (étudier la position de la pièce par rapport au plan de joint). - Placer des dépouilles plus importantes sur la pièce en contact avec la partie fixe. - Lors de l éjection, la pièce ne doit pas être déformée ou cassée. Il faut donc veiller à : - Ejecter la pièce à une température optimale afin que la matière soit suffisamment solide. - Placer les éjecteurs dans les zones rigides de la pièce (paroi perpendiculaire au plan de joint, nervure) - Avoir une surface d'éjection maximale (afin de réduire la pression de contact). - Page 21 / 26

22 Ejecteurs cylindriques Les tiges d'éjecteurs cylindriques sont les éléments les plus utilisés pour le démoulage. Ces éjecteurs doivent être situés judicieusement sur la pièce et en nombre suffisant, de façon à éjecter la pièce sans dommage ni déformation. Les éjecteurs sont réalisés en acier nitruré et existent en dimensions standard du diamètre 2 à 20 mm. Emplacement des points d'éjection : - Près des points opposant une grande résistance à l'extraction. - Dans les zones de forte rigidité. (pour supporter l effort de poussée de l éjection) - Solution intéressante mais plus coûteuse (cyl. 25 Fr tubul. 300 Fr) qui nécessite un verrouillage en position de la broche centrale. Ejection plaque Les pièces à parois minces, Ejecteurs tubulaires Pour certaines pièces à noyau central cylindrique, l'éjection peut se faire avantageusement à l'aide d'un éjecteur tubulaire ou annulaire. Il s'agit d'un tube qui coulisse sur la broche (qui sert de noyau fixe) et vient pousser la pièce sur une surface plane et circulaire. Page 22 / 26

23 Arrache Carotte Lors de l'ouverture du moule, il est nécessaire de s'assurer que la carotte ne reste pas dans la buse d'injection du coté du bloc fixe. A cette fin, on utilise un arrache carotte coté partie mobile. Classification des outillages Moule deux plaques C'est le type de moule le plus couramment utilisé à cause de Moule à tiroir Permet le démoulage de Pièces à obtenir Moule fermé Plaque d'ejection Tiroir Partie mobile Moule trois plaques Ouverture du moule Déplacement du tiroir sous l'action du ressort des pièces injectées et des déchets (canaux, carotte)lors de l'ouverture du moule. Ouverture du moule Ejection Sortie du système d'éjection Page 23 / 26

24 Vérification capacités machines Il convient de vérifier que la presse d'injection est capable de produire nos pièces. Pour cela il est nécessaire de faire trois vérifications : Diam 8mm Long 50mm - calcul du volume de matière injectée, - calcul de la force de fermeture, - calcul du pourcentage de dechet (rentabilité). On reprend l'étude de la pièce étudiée précédemment. Il a été décidé d'injecter deux pièces simultanément. Diam 12 mm Long 30 mm Hypothèse : - Le seuil d'injection est décalé. - Le plan de joint se situe sur la face avant de la pièce. - La conicité de la carotte est négligée. - Le phénomène de retrait est négligé. - Les canaux seront considérés comme des cylindres (forme arrondie des extrémités négligée). Diam 13mm Long 30 mm Diam 8mm Long 10 mm Calcul du volume injecté Il est nécessaire de déterminer le volume de matière total à injecter. Il s agit de vérifier si la presse dont on dispose est capable d injecter un tel volume de matière. Application : Calculer le volume de matière injecté dans l exemple détaillé précédemment Pourcentage de déchet Le pourcentage de déchet est le rapport entre le volume de déchets et le volume total injecté. Ce nombre caractérise la quantité de matière utilisé qui part sous forme de déchet. Il faut veiller à avoir un pourcentage de déchet le plus faible possible (notamment en utilisant des moules multi empreintes). %Dechet = Volume déchet / Volume injecté x 100 avec Volume dechet = Volume canaux Application : Calculer le pourcentage de déchet dans l exemple détaillé précédemment. Page 24 / 26

25 Force de verrouillage minimale L étanchéité du moule, lors de sa fermeture doit être totale. La pression d injection de la matière dans les empreintes exerce des efforts sur les parois du moule dans toutes les directions, et a donc tendance à ouvrir le moule. La force minimum de verrouillage est proportionnelle au produit de la pression d injection et de la somme des surfaces injectées projetées sur le plan de joint. Nota : serrer trop fort ne nuit pas au moule, mais engendre des dépenses d énergies inutiles. La surface à prendre en compte, est la projection (l ombre de l empreinte) sur le plan de joint, sans oublier de compter les canaux, la carotte, et de déduire les trous. Dans l exemple suivant, la surface de la grappe d alimentation est négligée. F ver. = force de verrouillage mini P inj = pression d injection en bars ou en MPa, (ex. presse Arburg : 1600 bars mini= 160 MPa) S proj. = somme des surfaces «pièces» projetées en cm², sachant que 1 bar=0,1 N/mm² =1daN/cm² k = pertes de charge dans les divers canaux (20 à 50% de pertes)= 0,8 à 0,5 F ver = P inj x S proj. x k Surface projetée Pièce moulée Application : Calculer la force de verrouillage mini dans l exemple détaillé précédemment. On se placera dans le cas ou la pression d injection est de 800 bars. Page 25 / 26

26 Ressources CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES de la PRESSE BABYPLAST Désignation Unité Valeur Ø du piston mm Volume cm3 4 6, Pression d'inj. kg/cm Force de fermeture KN 62 Force d'ouverture KN 4 course d'ouverture mm Force d'éjection KN 5 Course d'éjection mm 45 Pression hydraulique kg/cm2 130 Réservoir d'huile L environ 16 Cycle à vide S 2,4 Puissance installée KW 2,75 Poids kg environ 120 Dimensions mm 890x650x456 Page 26 / 26