Impression 3D pour moules et matrices, partie 1

Aug 08, 2023

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À mesure que l’adoption de l’impression 3D se répand dans le secteur plus vaste de la fabrication industrielle, la valeur de la technologie en tant que plus qu’un simple outil de prototypage rapide devient de plus en plus évidente. Même lorsque la fabrication additive (FA) n’est pas utilisée pour produire des pièces finales, les entreprises apprennent qu’elle peut être utilisée pour la fabrication d’outillages pour leurs processus de production traditionnels. En particulier, les moules et matrices d’impression 3D pour le moulage par injection et le moulage sous pression présentent un grand potentiel en raison des divers avantages qu’offre la FA en termes de fabrication de pièces personnalisées, à la demande et complexes.

Le moulage par injection, le plus courant pour la fabrication en série de pièces en plastique, consiste à injecter du plastique liquide dans un moule à haute pression. En remplissant toutes les cavités du moule, le plastique durcit et la pièce finie est retirée. Le plus souvent, les polymères utilisés sont des thermoplastiques, qui fondent à haute température et refroidissent à l'entrée dans le moule.

Les quatre étapes du moulage par injection de vis.

En règle générale, les moules sont usinés avec précision à partir d’aluminium ou d’acier, ce qui peut coûter entre des milliers et des centaines de milliers de dollars. Par conséquent, le moulage par injection est plus rentable pour les volumes élevés, permettant de fabriquer des dizaines de milliers, voire des millions de pièces. Pour le moulage par injection en petites séries de 50 à 100 pièces, l’impression 3D peut être une option plus rentable.

D’autres raisons pour lesquelles l’impression 3D pourrait être choisie pour la production de moules incluent le délai d’exécution court. Un moule imprimé peut être fabriqué en quelques jours ou quelques semaines seulement, contre un délai de cinq à sept semaines pour les moules fabriqués avec une machine CNC.

En fonction des exigences exactes des pièces, la technologie FA choisie n'est pas nécessairement métallique. Au lieu de cela, le jet de matière et le SLA peuvent être utilisés pour fabriquer des moules avec une grande précision et une bonne finition de surface. Cela est particulièrement vrai pour les pièces plus petites, inférieures à 150 mm.

Un moule imprimé en 3D avec un cadre en aluminium. Image gracieuseté de Formlabs.

Comme l'explique 3D Hubs dans un guide de conception particulièrement utile pour les moules d'injection d'impression 3D, les cadres en aluminium sont souvent utilisés pour soutenir les inserts de moules en plastique imprimés en 3D contre la pression et la chaleur du processus d'injection. Sans un tel cadre, les moules risquent davantage de se déformer suite à une utilisation continue, mais des canaux de refroidissement conformes peuvent être plus facilement intégrés dans le moule en plastique. Si vous imprimez en 3D un moule en métal, vous n'avez pas à vous en soucier.

Le moulage sous pression est un processus très similaire au moulage par injection, sauf que vous remplacez le plastique fondu par du métal en fusion. Le métal liquide est injecté à haute pression dans une matrice métallique (la même chose qu'un moule dans ce cas), qui remplit les cavités de la matrice et durcit pour former une pièce métallique. Le moulage sous pression est généralement utilisé pour de grandes quantités de pièces de petite à moyenne taille. Vous trouverez du moulage sous pression utilisé pour des composants tels que les boucles de ceinture et les moteurs de voiture.

Un insert moulé sous pression avec canaux de refroidissement intégrés imprimé en 3D par Exco Engineering. Image gracieuseté d’Exco Engineering.

Les matrices d’impression 3D présentent bon nombre des mêmes avantages que la production de moules pour le moulage par injection avec la fabrication additive : un délai d’exécution rapide et la capacité de produire des géométries complexes. L’impression 3D peut être beaucoup plus rentable lorsque la matrice est utilisée pour une production en petits lots.

En général, les matrices doivent être fabriquées en métal pour résister à la chaleur et à la pression élevées du processus de moulage sous pression, ce qui n'est pas nécessairement le cas pour certaines techniques de moulage de précision. Les entreprises spécialisées dans les matrices et inserts d’impression 3D (utilisés pour modifier les matrices et les moules) déclarent avoir du mal à sélectionner les matériaux appropriés. La société canadienne Exco Engineering a parfois choisi l'acier maraging plutôt que l'acier à outils H13 (qui pourrait plus normalement être utilisé pour le moulage sous pression traditionnel) en raison de la porosité élevée et des fissures avec lesquelles elle a expérimenté des moules imprimés en 3D fabriqués à partir de H13. Cependant, comme nous le verrons dans un prochain article, il existe des technologies qui ouvrent la possibilité d'utiliser plusieurs métaux pour obtenir certains résultats pour les matrices imprimées en 3D.