Avant-propos : L'industrie du moulage par injection, qui connaît une croissance rapide et une forte concurrence, est évaluée à des centaines de milliards de dollars, ce qui pousse les fabricants à rechercher des moyens plus efficaces et plus rentables pour conserver un avantage concurrentiel.

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, permet à ces entreprises de produire des produits de qualité supérieure. moulage par injection Les moules et l'outillage imprimés en 3D sont plus rapides et plus abordables que les méthodes traditionnelles. On peut affirmer que les moules imprimés en 3D sont en train de révolutionner l'industrie de la fabrication de moules.

Selon Intelligent Manufacturing Network News, l'impression 3D est considérée comme l'une des technologies de pointe au vaste potentiel de développement et aux possibilités d'application étendues, presque omniprésentes dans le monde entier.

À l'heure actuelle, l'utilisation de l'impression 3D dans les secteurs de l'éducation, de la santé, de l'automobile, de l'aérospatiale et d'autres secteurs s'intensifie progressivement, démontrant ainsi sa valeur dans le cadre d'une mise en œuvre commerciale. Quelle est donc la réalité des moules d'injection imprimés en 3D ?

Dans cet article, nous allons vous présenter la vérité sur les moules d'injection imprimés en 3D.

1. Bref aperçu de la technologie d'impression 3D

L'impression 3D (3DP) est un type de technologie de prototypage rapide, également connu sous le nom de fabrication additive. Elle est basée sur des fichiers de modèles numériques et utilise des matériaux adhésifs tels que le métal en poudre ou le plastique pour construire des structures par impression couche par couche.

Elle est généralement réalisée à l'aide d'imprimantes numériques et est couramment utilisée pour créer des modèles dans des domaines tels que la fabrication de moules et la conception industrielle. Elle est progressivement employée dans la fabrication directe de certains produits, des pièces ayant déjà été imprimées avec succès à l'aide de cette technologie.

L'impression 3D est généralement réalisée à l'aide d'imprimantes matérielles de technologie numérique. Elle est couramment utilisée pour créer des modèles dans la fabrication de moules, la conception industrielle et d'autres domaines, et est de plus en plus employée pour la fabrication directe de certains produits. Certaines pièces ont déjà été imprimées à l'aide de cette technologie

2. Moulage par injection

La technique connue sous le nom de moulage par injection consiste à injecter à haute pression des matières plastiques chauffées et fondues dans la cavité du moule, puis à les laisser refroidir et se solidifier. Cette méthode est principalement utilisée pour la production de masse. Le moule à injection est au cœur de ce processus. Il permet de produire rapidement et avec précision des structures complètes et des dimensions précises pour les produits en plastique.

Le processus actuel de fabrication des moules, communément appelé ouverture du moule, implique généralement un traitement mécanique. Le processus peut être décrit comme suit : Dans un premier temps, un moule numérique est généré à l'aide d'un logiciel basé sur le modèle 3D du produit final. Il s'agit de définir les numéros des cavités, l'emplacement des portes et les systèmes de canaux nécessaires pour le produit final. moulage par injection processus.

Les composants du moule sont usinés à l'aide d'outils tels que des machines à commande numérique, des fraiseuses et des tours. Pour obtenir de meilleurs produits moulés par injection, le moule a souvent besoin d'une finition et d'un polissage final pour améliorer la qualité de la surface. Ce processus est laborieux et le cycle de production typique des moules à injection de précision est d'environ 20 à 25 jours.

3. Impression 3D d'un moule en plastique

En combinant des matériaux solides et résistants à la température avec une imprimante 3D en plastique (ou polymère), les entreprises peuvent produire leurs propres moules d'injection en interne ou les commander rapidement auprès d'un prestataire de services. Les moules en plastique imprimés en 3D conviennent à la production de petites quantités de pièces (de 100 à 10 000, selon le matériau) et sont nettement plus rentables, leur prix étant inférieur de 90% à celui des moules en métal.

Si le budget est limité et le délai de production court, l'impression 3D de plastique est la méthode de fabrication de moules privilégiée. Elle est également largement utilisée pour le prototypage, ce qui permet aux entreprises de tester et d'itérer plus rapidement avant de passer aux outils traditionnels pour la production de masse avec une plus grande confiance.

Technologies et matériaux utilisés

Technologie 1 : La modélisation par dépôt en fusion (FDM) est la solution d'impression 3D la plus économique pour la fabrication de moules en plastique. Toutefois, cette méthode peut entraîner la formation de couches visibles. Pour obtenir la précision souhaitée, les couches doivent être éliminées par meulage ou traitement chimique. En outre, ces moules peuvent être usinés avec des tolérances plus étroites.

Technologie 2 : L'impression 3D en résine, y compris la stéréolithographie (SLA) et le traitement numérique de la lumière (DLP), sont les technologies les plus populaires parce qu'elles produisent des moules avec une finition de surface plus fine qui nécessitent moins de post-traitement.

Troisième technologie : Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technologie qui utilise des matériaux polymères en poudre et un laser pour produire des moules d'une grande qualité de surface et d'une grande résistance, souvent fabriqués à partir de nylon renforcé.

En matière d'impression 3D, il existe un large éventail de matières plastiques. Cependant, tous les matériaux ne supportent pas les pressions et les températures élevées du moulage par injection. Le choix du matériau dépend de facteurs tels que la température de fusion du plastique, la pression d'injection de la machine et le volume de pièces nécessaires.

Les matériaux les plus couramment utilisés sont le PETG, le polypropylène (PP), la résine de moulage, le nylon (PA), le nylon à fibres de carbone, etc. Toutefois, ils ne peuvent généralement supporter que des dizaines ou des centaines de cycles de moulage par injection. Pour les productions en grande série nécessitant des milliers de pièces, le métal est encore préféré au plastique dans la plupart des cas.

Cas d'application typiques

PepsiCo s'est associé à Henkel Loctite Nexa3D pour créer des inserts de moule en utilisant la résine xPEEK147 et une imprimante 3D Nexa3D NXE 400. Ces inserts sont ensuite intégrés aux composants des moules métalliques traditionnels. L'ensemble du moule peut désormais être fabriqué en 12 heures seulement, dont 8 heures consacrées à l'impression 3D et 4 heures au post-traitement et au durcissement.

Le temps de développement des moules prototypes a été considérablement réduit, passant de 4 semaines à seulement 48 heures, ce qui représente une amélioration significative de l'efficacité. En outre, le coût de chaque jeu de moules a considérablement diminué, passant de $10 000 à $350. Ces moules hybrides innovants ont démontré leur capacité à produire plus de 10 000 bouteilles sans aucune défaillance, ce qui permet de réaliser des économies potentielles allant jusqu'à 96% par rapport aux moules métalliques traditionnels.

Dans le domaine des moulage par injectionDans ce cas, le principal facteur de coût réside dans la fabrication du moule. Les subtilités du recouvrement du coût de production du moule uniquement par la production de masse et la vente de produits sont mises en évidence. Il est souligné que pour les produits ayant un cycle de vie court ou une demande limitée, l'investissement dans l'outillage usiné peut ne pas être financièrement viable. Dans de tels scénarios, la fabrication de moules par impression 3D est présentée comme une alternative plus avantageuse.

Cette évolution vers l'impression 3D offre non seulement une solution rentable, mais aussi une plus grande flexibilité dans la personnalisation des produits et la production de petits lots. Les fabricants sont encouragés à tirer parti de cette approche pour élargir leur offre de produits tout en respectant des paramètres de rentabilité. Les capacités de production accélérée des moules imprimés en 3D permettent aux fabricants de répondre rapidement aux demandes des clients pour de nouveaux produits, ce qui se traduit par un développement et une production efficaces de produits en petite série.

4. Impression 3D d'un moule en métal

Les facteurs à l'origine de l'augmentation de l'utilisation des moules métalliques imprimés en 3D diffèrent considérablement des avantages des moules en plastique imprimés en 3D. Contrairement à la croyance populaire, il arrive que les moules métalliques imprimés en 3D soient plus coûteux et plus longs à créer que les moules métalliques conventionnels. L'avantage ne réside pas dans la fabrication des moules, mais dans la rentabilité de la production de l'ensemble du produit à l'aide de moules imprimés en 3D.

Technologies et matériaux utilisés

L'impression 3D de métaux permet de créer des moules pour la production de produits finis et des prototypes aux détails complexes, ce qui permet aux fabricants de rationaliser le processus traditionnel de fabrication de moules et de réduire la nécessité de recourir à des machinistes qualifiés.

Une technique courante est la fusion sélective par laser (SLM), une méthode clé dans la fabrication additive de matériaux métalliques. Bien que la fusion laser sélective permette d'obtenir des détails fins, un usinage supplémentaire est souvent nécessaire. Compte tenu des coûts et des vitesses de traitement actuels, l'impression 3D de métaux ne remplacera probablement pas entièrement l'usinage des outils de moulage par injection, mais servira plutôt d'outil complémentaire pour accélérer la production globale.

Une autre technologie d'impression 3D, le dépôt par énergie directe (DED), utilise un laser pour créer un bain de fusion dans la zone de dépôt et le déplacer rapidement. Le matériau, sous forme de poudre ou de filament, est introduit directement dans la zone de fusion à haute température et déposé couche par couche après fusion. Cette approche permet de créer des moules métalliques à partir de différents matériaux métalliques. Par exemple, une couche d'acier inoxydable peut être appliquée sur un substrat de cuivre pur pour combiner une conductivité thermique élevée et une résistance à l'usure.

requis dans les outils de moulage par injection.

Les pièces métalliques imprimées en 3D nécessitent souvent un traitement supplémentaire, d'où l'essor des machines hybrides qui combinent l'impression 3D et les capacités de la CNC. La machine TrueShape, développée par Mantle, une start-up spécialisée dans l'impression 3D de pièces métalliques, illustre cette tendance.

Le processus commence par l'impression en 3D d'un moule métallique à l'aide d'une pâte d'acier à outils extrudable. Ensuite, des machines CNC de précision sont utilisées pour affiner le moule selon des tolérances précises avant de le fritter dans un four à haute température.

Cas d'application typiques

L'impression 3D est en train de révolutionner l'industrie de la fabrication de moules en permettant la création de moules dotés de canaux de refroidissement complexes et conformes. Ces canaux jouent un rôle crucial dans le refroidissement des métaux. moulage par injection en facilitant un refroidissement plus rapide et plus uniforme des pièces.

Étant donné que la phase de refroidissement consomme généralement 70% à 80% de la durée totale du cycle, toute réduction de cette phase tout au long de la durée de vie du moule peut entraîner des économies substantielles pour les fabricants. En outre, un refroidissement efficace a un impact significatif sur la précision dimensionnelle, l'état de surface et les propriétés mécaniques du produit final.

Les techniques d'usinage traditionnelles consistent à ajouter des canaux de refroidissement au moule par un perçage rectiligne. Cependant, à mesure que la complexité de la géométrie des pièces augmente, il devient de plus en plus difficile d'obtenir un refroidissement précis le long des contours du moule. La production traditionnelle de pièces complexes peut alors devenir une entreprise ardue et coûteuse.

Par rapport aux processus traditionnels, l'impression 3D peut créer des canaux de refroidissement incurvés dans le moule, adaptés à la géométrie de la pièce, et apporter le refroidissement là où il est le plus nécessaire, afin d'améliorer la qualité de la pièce et de réduire le temps de refroidissement jusqu'à 70%.

Yijia, un fabricant de gobelets tridimensionnels, en est un excellent exemple. Auparavant, les gobelets produits par moulage par injection traditionnel présentaient une faible transparence et un moulage par injection inefficace. Cette inefficacité provenait des moules à gobelets fabriqués à l'aide de la technologie CNC traditionnelle, qui ne pouvait traiter que des canaux de refroidissement verticaux, ce qui ne permettait pas de refroidir le moule de manière adéquate.

L'imprimante 3D Eplus3D EP-M250 SLM permet de produire des moules métalliques complexes à canal de refroidissement conforme. Le moulage final ne nécessite plus que 16,63 secondes pour atteindre la température optimale pour la pulvérisation. En revanche, les moules traditionnels nécessitent 22,97 secondes, ce qui représente un gain de temps de plus de 6 secondes et une augmentation de l'efficacité de l'injection d'environ 26%.

Les avantages de l'intégration de canaux de refroidissement conformes grâce à l'impression 3D sont évidents dans divers secteurs de la fabrication de moules. Prenons l'exemple des cigarettes électroniques. Guangdong Moko déclare : "Au cours des trois dernières années, notre compréhension des matériaux PCTG s'est considérablement approfondie, en particulier dans le domaine des cigarettes électroniques.

L'utilisation de ce matériau en conjonction avec la technologie d'impression 3D illustre une approche unique qui s'écarte des méthodes conventionnelles". Cela souligne le rôle essentiel de l'impression 3D dans la révolution de l'industrie des moules en relevant efficacement des défis impossibles à relever par des moyens traditionnels.

5. Avantages de l'impression 3D de moules à injection

Réduction du cycle de production des moules

L'impression 3D de moules raccourcit considérablement le cycle de développement des produits et stimule l'innovation. Auparavant, les entreprises ont parfois choisi de reporter ou de renoncer aux mises à jour de la conception des produits en raison de l'investissement substantiel nécessaire à la fabrication de nouveaux moules. En réduisant le délai de production des moules et en permettant des mises à jour rapides des outils de conception existants, l'impression 3D permet aux entreprises de modifier et d'améliorer plus fréquemment leurs moules. Cette capacité garantit que le cycle de conception des moules s'aligne sur le cycle de conception des produits.

En outre, certaines entreprises ont investi dans leur propre équipement d'impression 3D pour produire des moules, ce qui accélère encore le développement des produits tout en améliorant la flexibilité et l'adaptabilité. Cette approche stratégique renforce la résilience de la chaîne d'approvisionnement face à des risques tels que les délais prolongés et la stagnation du développement, évitant ainsi l'acquisition de moules inadaptés auprès des fournisseurs.

Réduction des coûts de fabrication

Si le coût actuel de l'impression 3D de métal est plus élevé que le coût des processus de fabrication traditionnels de métal, il est plus facile de réduire les coûts dans le domaine des produits en plastique.

Les moules métalliques imprimés en 3D offrent des avantages économiques pour la production de petites séries discontinues de produits finis (car les coûts fixes de ces produits sont difficiles à amortir) ou pour des géométries spécifiques optimisées pour l'impression 3D, ce qui offre des avantages économiques encore plus importants. Cet avantage devient particulièrement évident lorsque les matériaux utilisés sont extrêmement coûteux et que la fabrication traditionnelle de moules entraîne des taux de rebut élevés, ce qui permet à l'impression 3D d'offrir un avantage en termes de coûts.

En outre, la capacité de l'impression 3D à produire des moules précis en quelques heures peut avoir un impact significatif sur les processus de fabrication et la rentabilité, en particulier dans les scénarios où les temps d'arrêt de la production ou le maintien des stocks d'outils sont coûteux.

Il arrive fréquemment que le moule doive être modifié après le début de la production. L'adaptabilité de l'impression 3D permet aux ingénieurs de tester de nombreuses itérations simultanément, réduisant ainsi les dépenses initiales liées aux modifications de la conception des moules.

Les améliorations apportées à la conception des moules permettent d'accroître les fonctionnalités des produits finis

La métallurgie unique impliquée dans l'impression 3D de métaux améliore souvent la microstructure du métal, ce qui permet d'obtenir des pièces imprimées entièrement denses possédant des propriétés mécaniques et physiques comparables, voire supérieures, à celles des matériaux forgés ou coulés (en fonction du traitement thermique et de l'orientation des tests). La fabrication additive offre aux ingénieurs une pléthore de possibilités pour améliorer la conception des moules.

Dans les cas où la pièce prévue comprend plusieurs sous-composants, l'impression 3D permet une intégration transparente de la conception, ce qui entraîne une réduction du nombre de pièces nécessaires. Cela permet de rationaliser le processus d'assemblage du produit et de minimiser les tolérances.

En outre, il peut intégrer des fonctions de produit complexes, ce qui permet de fabriquer plus rapidement des produits finis hautement fonctionnels avec moins de défauts. Par exemple, la qualité globale d'une pièce moulée par injection est influencée par les conditions de transfert de chaleur entre le matériau injecté et le fluide de refroidissement qui circule dans le dispositif de fixation de l'outillage. Lorsqu'ils sont produits à l'aide de méthodes traditionnelles, les canaux qui dirigent le matériau de refroidissement sont généralement rectilignes, ce qui entraîne un refroidissement plus lent et inégal de la pièce moulée.

L'impression 3D permet de créer des canaux de refroidissement de n'importe quelle forme pour faciliter le refroidissement conforme, qui est plus optimisé et uniforme, ce qui se traduit en fin de compte par des pièces de meilleure qualité et des taux de rebut réduits. En outre, une dissipation plus rapide de la chaleur réduit considérablement la durée du cycle de moulage par injection, car la période de refroidissement représente généralement jusqu'à 70% de l'ensemble du cycle de moulage par injection. moulage par injection cycle.

Optimiser les outils pour les rendre plus ergonomiques et améliorer les performances minimales

L'impression 3D réduit considérablement les obstacles à la validation de nouveaux outils qui répondent à des besoins non satisfaits dans le domaine de la fabrication, en permettant la production de dispositifs mobiles et fixes supplémentaires. Historiquement, les outils et les dispositifs connexes ont été conçus pour avoir une longévité maximale, compte tenu des coûts et des efforts considérables qu'impliquent leur reconception et leur fabrication. En tirant parti de la technologie de l'impression 3D, les entreprises peuvent réorganiser n'importe quel outil à n'importe quel moment, sans se limiter à ceux qui sont jugés obsolètes et inadéquats pour le travail.

Avec un minimum de temps et d'investissement initial, l'impression 3D rend plus rentable la mise au point d'outils pour améliorer les performances marginales. Par conséquent, les techniciens peuvent prendre en compte des considérations ergonomiques lors de la phase de conception afin d'améliorer le confort d'utilisation, de réduire les durées de traitement et de rationaliser l'utilisation et le stockage.

Même si ces améliorations ne réduisent que de quelques secondes les opérations d'assemblage, l'impact cumulatif peut être significatif. En outre, l'optimisation de la conception des outils peut également réduire le taux de rebut des pièces, contribuant ainsi à l'efficacité opérationnelle globale.

6. Inconvénients de l'impression 3D de moules d'injection

Défauts de rétraction dans les moules imprimés

Comme toutes les pièces imprimées en 3D, les moules peuvent présenter divers défauts, tels que le gauchissement causé par la contraction pendant le refroidissement. Lorsque le moule se déforme, des problèmes peuvent survenir lorsque l'on travaille avec des produits exigeant des tolérances élevées.

Questions relatives à l'intégrité structurelle

Les moules en plastique imprimés en 3D sont moins stables que les moules en métal lorsqu'il s'agit de résister aux températures et aux pressions élevées du processus de moulage par injection. La faible intégrité structurelle du moule peut entraîner des problèmes tels que la dégradation des portes du moule et des lignes de soudure, ce qui le rend impropre à la production en grande quantité.

L'expérimentation nécessite des déchets

Lorsque vous imprimez vous-même un moule en 3D, vous générez généralement des déchets plastiques avant d'obtenir le produit souhaité. Malgré la polyvalence de l'impression 3D pour affiner les conceptions, certaines imperfections peuvent n'apparaître qu'aux étapes finales, ce qui entraîne une augmentation des déchets. Il est essentiel de souligner que ces déchets sont recyclables.

L'effet d'impression est limité par le matériau

Si les industries haut de gamme peuvent imprimer des plastiques, certains métaux ou des céramiques, le défi actuel réside dans l'impression de matériaux qui sont à la fois chers et rares. L'industrie dans son ensemble a besoin d'une meilleure stabilité et d'une plus grande facilité d'utilisation des matériaux, tout en étant confrontée à des goulets d'étranglement dans la recherche et le développement de nouveaux matériaux. En outre, certains équipements d'impression 3D n'ont pas encore atteint un niveau de maturité suffisant, ce qui entrave leur capacité à prendre en charge le large éventail de matériaux rencontrés dans la vie quotidienne.

Le produit fini est-il robuste et durable ?

Si les maisons et les voitures peuvent être "imprimées", peuvent-elles résister au vent et à la pluie et rouler sans problème sur la route ? Actuellement, l'impression 3D utilise des matériaux polymères, chacun ayant son point de fusion et ses propriétés fluides. La combinaison de différents matériaux dans l'impression 3D pose des problèmes, ce qui entraîne des inconvénients tels que la fragilité du produit final.

Préoccupations en matière de propriété intellectuelle

À une époque où la conscience juridique est de plus en plus forte, les gens accordent une plus grande importance à la protection des droits de propriété intellectuelle dans les secteurs de la musique, du cinéma et de la télévision. L'avènement de la technologie de l'impression 3D complique encore la situation, car les inquiétudes concernant la violation des droits d'auteur et l'utilisation de produits contrefaits sont grandes.

La nécessité d'établir la légitimité des droits d'auteur pour les produits imprimés en 3D et d'empêcher la reproduction non autorisée est apparue comme un défi crucial pour l'avancement de l'industrie. La formulation de cadres juridiques par les autorités compétentes régissant l'impression 3D est essentielle pour sauvegarder les droits de propriété intellectuelle et déterminer l'utilisation responsable de cette technologie innovante.

Des facteurs environnementaux difficiles à surmonter

Dans la salle d'impression 3D, des problèmes tels qu'une purification insuffisante de l'air, des lacunes dans la machine et des impuretés mélangées à des matériaux en poudre métallique peuvent entraîner des variations de la teneur en oxygène. Cela peut avoir un effet négatif sur les propriétés mécaniques des pièces imprimées et peut même entraîner des changements dans leur composition chimique. Il est donc essentiel de détecter la teneur en oxygène dans la salle d'impression.

7.Conclusion

L'impact de l'impression 3D sur l'industrie manufacturière a été profond. Des pièces prototypes qui coûtaient auparavant des centaines de dollars et prenaient des semaines à produire peuvent désormais être conçues dans la matinée, imprimées pendant la nuit et livrées aux clients le lendemain. Certaines entreprises ont déjà commencé à utiliser des procédés d'impression 3D pour fabriquer des moules d'injection.

Fini le temps où l'on attendait des mois pour produire un moule ou où l'on devait faire face à des coûts importants pour modifier un moule en raison de changements de conception en aval. Grâce à l'impression 3D, les moules peuvent être produits rapidement, que ce soit pour la vérification des moules ou pour la production de petits lots de pièces. pièces moulées par injection.

La vérité sur les moules d'injection imprimés en 3D réside dans leurs avantages et leurs limites subtiles. Bien que le cycle de production des moules soit raccourci et que les coûts de fabrication soient réduits, les améliorations apportées à la conception des moules ajoutent davantage de fonctionnalités au produit final. Les outils optimisés sont plus ergonomiques et améliorent les performances minimales, tandis que les moules personnalisés permettent d'obtenir un produit final sur mesure.

Il existe cependant des difficultés, telles que les défauts de rétrécissement du moule d'impression, les problèmes d'intégrité structurelle, le gaspillage lors des expériences, les limitations des effets d'impression dues aux matériaux, les préoccupations concernant la solidité et la durabilité du produit fini, les inquiétudes concernant la propriété intellectuelle et les difficultés à prendre en compte les facteurs environnementaux.

Par conséquent, les moules d'injection imprimés en 3D peuvent être un outil précieux dans l'arsenal de fabrication, en particulier pour les itérations rapides et les applications spécialisées, mais ce n'est pas une solution universelle. Chaque projet nécessite un examen minutieux de ses exigences uniques et des capacités de la technologie d'impression 3D.