Avant-propos : L'industrie du moulage par injection, qui connaît une croissance rapide et une forte concurrence, représente des centaines de milliards de dollars, ce qui incite les fabricants à rechercher des méthodes plus efficaces et moins coûteuses pour garder une longueur d'avance. Également connue sous le nom de fabrication additive, l'impression 3D permet aux fabricants de créer de meilleurs moules d'injection et outils plus rapidement et à moindre coût que les processus traditionnels. Cet article explique principalement pourquoi vous devriez choisir l'impression 3D pour les moules.

Avantages et inconvénients de l'impression 3D de moules en métal

Comment imprimer en 3D des moules en métal ?

L'impression 3D élargit la gamme des matériaux disponibles, utilise le frittage laser pour créer des couches et transforme le dessin CAO en un produit tridimensionnel ultime.

Quels sont les avantages des moules métalliques définis en 3D ?

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

La méthode métallurgique spéciale employée dans l'impression 3D de métaux permet d'améliorer la microstructure du métal et de créer des pièces imprimées entièrement denses. Cette méthode permet d'intégrer des fonctions complexes, facilitant ainsi la production de produits finis hautement fonctionnels de manière plus efficace et avec moins de défauts.

Par exemple, la qualité d'une pièce moulée par injection est fortement influencée par les conditions de transfert de chaleur entre le matériau injecté et le fluide de refroidissement circulant dans l'outillage. Les procédés de fabrication traditionnels comportent généralement des canaux rectilignes pour le matériau de refroidissement, ce qui entraîne un refroidissement plus lent et inégal de la pièce moulée.

En revanche, l'impression 3D permet de créer des canaux de refroidissement de n'importe quelle forme, ce qui garantit un refroidissement conforme, plus optimisé et plus uniforme. Il en résulte des pièces de meilleure qualité et des taux de rebut plus faibles. En outre, la dissipation accélérée de la chaleur réduit considérablement la durée du cycle de moulage par injection, puisque le refroidissement représente généralement jusqu'à 70% de la durée totale du 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 destinés à répondre à des besoins non satisfaits dans le domaine de la fabrication, en permettant la création d'un plus grand nombre d'outils mobiles et fixes. Historiquement, les outils et les dispositifs connexes ont été conçus pour maximiser leur longévité, compte tenu des dépenses et des efforts considérables qu'impliquent leur reconception et leur fabrication.

Grâce à la technologie de l'impression 3D, les entreprises ont la possibilité de remettre à neuf n'importe quel outil à n'importe quel moment, et pas seulement ceux qui ont été mis au rebut parce qu'ils ne répondaient pas aux exigences.

Nécessitant un temps et un investissement initial minimes, l'impression 3D rend plus rentable l'amélioration des outils pour une performance marginale supérieure. Par conséquent, les techniciens sont en mesure de donner la priorité à des aspects tels que l'ergonomie dans leurs conceptions afin d'améliorer le confort opérationnel, de réduire la durée du traitement et d'améliorer la convivialité et la facilité de stockage. Même si ces améliorations ne se traduisent que par une réduction marginale de la durée des opérations d'assemblage, leur impact cumulatif ne doit pas être sous-estimé.

En outre, l'optimisation de la conception des outils peut également réduire le taux de rebut des pièces. Même qualité que les moules usinés ; possibilité de créer des canaux de refroidissement conformes ; utilisation de moins de matières premières et plus rapide que les moules usinés ; possibilité d'imprimer plusieurs versions de moules en même temps ; options d'application plus nombreuses, adaptées aux fabricants qui externalisent ; prévention des fuites de données, solution interne pour protéger la propriété intellectuelle ; pièces moulées par injection ont la même qualité.

Des cycles de production plus courts, la possibilité de fabriquer des géométries plus complexes et des coûts de fabrication finaux moins élevés permettent aux entreprises de créer un grand nombre d'outils personnalisés pour soutenir la fabrication de pièces sur mesure.

Les moules personnalisés aident à personnaliser le produit final, et les moules d'impression 3D sont très utiles pour la production personnalisée, notamment pour les équipements médicaux et l'industrie médicale. Elle peut fournir aux chirurgiens des instruments personnalisés imprimés en 3D, tels que des guides et des outils chirurgicaux, ce qui leur permet d'améliorer les résultats des opérations et de réduire la durée des interventions chirurgicales.

Quels sont les inconvénients de l'impression 3D de moules en métal ?

Peut prendre plus de temps et coûter plus cher que l'usinage ; nécessite plus de temps de conception en amont ; et exige des compétences plus élevées. Un traitement post-usinage peut s'avérer nécessaire pour répondre aux exigences de précision, et la taille des moules est limitée. Les matériaux les plus couramment utilisés sont l'acier inoxydable et l'acier à outils.

Quels sont les exemples typiques de moules métalliques imprimés en 3D ?

Bridgestone

Créer des pneus toutes saisons de haute qualité. Traditionnellement, les moules à pneus étaient fabriqués en fixant manuellement des bandes et des blocs de métal selon un modèle spécifique à un moule de base. Les composants métalliques, avec leurs géométries simples, étaient fabriqués à l'aide d'outils d'usinage conventionnels.

Cependant, Bridgestone a adopté une technologie de pointe en utilisant des machines SLM du fabricant allemand SLM Solutions pour produire des moules métalliques imprimés en 3D. Cette approche innovante permet aux ingénieurs de créer des moules avec des formes et des motifs qui n'étaient pas réalisables auparavant.

En redessinant les moules, il est possible d'améliorer les performances de traction des pneus sans compromettre leur longévité. SLM Solutions a réalisé un exploit remarquable en réussissant à imprimer en 3D un moule de pneu en acier d'une épaisseur de seulement 0,3 mm à son point le plus fin. Bridgestone n'est pas le seul géant de l'industrie à tirer parti de la technologie de l'impression 3D ; Michelin propose des pneus fabriqués à l'aide de cette technique avancée depuis 2013.

Cupping Eplus3D

Dans le passé, les fabricants utilisaient le moulage par injection traditionnel pour produire des gobelets à faible transparence et à faible efficacité de moulage par injection. La raison principale est que le moule à gobelets produit par la technologie CNC traditionnelle ne peut traiter que des canaux de refroidissement verticaux, ce qui ne permet pas de refroidir efficacement le moule. Le moule d'injection pour gobelets produit par l'imprimante 3D EP-M250 SLM présente un moule métallique complexe à canaux de refroidissement conformes produit par l'imprimante 3D Eplus3D EP-M250 SLM.

Le moulage final ne prend que 16,63 secondes pour atteindre la température de pulvérisation. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport aux moules traditionnels qui prennent 22,97 secondes, ce qui se traduit par une réduction de plus de 6 secondes et une augmentation de l'efficacité de l'injection d'environ 26%.

Quels sont les technologies et les matériaux des moules à métaux ?

La technologie des moules métalliques comprend principalement

Fusion sélective par laser (SLM)

dans la fabrication additive de matériaux métalliques. Malgré la possibilité d'obtenir des détails complexes grâce à ce processus, l'usinage supplémentaire reste courant. Actuellement, pour des raisons de coût et de vitesse de traitement, il est peu probable que l'impression 3D de métaux supplante complètement l'usinage des outils de moulage par injection. Elle sert plutôt de complément pour améliorer l'efficacité de la production globale.

Dépôt d'énergie directe (DED)

Le laser crée un bain de fusion dans la zone de dépôt et le déplace à grande vitesse. Le matériau est directement envoyé dans la zone de fusion à haute température sous forme de poudre ou de filament et est déposé couche par couche après la fusion. Cette méthode permet de créer des moules métalliques pour une grande variété de matériaux métalliques. Par exemple, une couche supérieure d'acier inoxydable peut être appliquée sur un substrat de cuivre pur pour combiner une conductivité thermique élevée et une résistance à l'usure, propriétés requises dans les moules en métal. moulage par injection des outils.

Les matériaux des moules métalliques comprennent principalement

Selon le type de matériau, les matériaux métalliques pour l'impression 3D peuvent être divisés en alliages à base de fer, de titane et d'alliages à base de titane, d'alliages à base de nickel, d'alliages de cobalt-chrome, d'alliages d'aluminium, d'alliages de cuivre et de métaux précieux.

Alliage à base de fer

Les alliages à base de fer sont un type d'alliage qui a été étudié plus tôt et plus profondément dans les matériaux métalliques pour l'impression 3D. Les alliages à base de fer les plus couramment utilisés sont l'acier à outils, l'acier inoxydable 316L, l'acier rapide M2, l'acier à moule H13 et l'acier maraging 15-5PH, etc. Les alliages à base de fer sont peu coûteux, très durs, résistants et faciles à usiner, ce qui les rend particulièrement adaptés à la fabrication de moules.

L'impression 3D de moules pour canaux d'eau conformes est une application majeure des alliages à base de fer. Les canaux d'eau de forme spéciale sont difficiles à traiter avec les procédés traditionnels. Toutefois, l'impression 3D permet de contrôler la disposition des canaux de refroidissement pour qu'elle soit fondamentalement conforme à la géométrie de la cavité, ce qui peut améliorer l'uniformité du champ de température et réduire efficacement les défauts du produit et augmenter la durée de vie du moule.

Titane et alliages de titane

Le titane et ses alliages sont devenus des matériaux idéaux dans les domaines des dispositifs médicaux, des équipements chimiques, de l'aérospatiale et des équipements sportifs en raison de leur grande résistance spécifique, de leur bonne résistance à la chaleur, de leur résistance à la corrosion et de leur bonne biocompatibilité. Toutefois, les alliages de titane sont généralement des matériaux difficiles à usiner.

Ils sont soumis à de fortes contraintes, à des températures élevées et à une forte usure des outils pendant le traitement, ce qui limite l'étendue de l'application des alliages de titane. La technologie de l'impression 3D est particulièrement adaptée à la fabrication du titane et de ses alliages. Tout d'abord, l'impression 3D se fait dans une atmosphère protectrice. Le titane ne réagit pas facilement avec des éléments tels que l'oxygène et l'azote. Le chauffage et le refroidissement rapides des micro-zones limitent également la volatilisation des éléments de l'alliage ;

Deuxièmement, des formes complexes peuvent être fabriquées sans traitement de coupe, et le taux d'utilisation des matériaux en poudre ou en fil est élevé, ce qui n'entraîne pas de gaspillage de matières premières et réduit considérablement les coûts de fabrication. Actuellement, les types de titane et d'alliages de titane imprimés en 3D comprennent le Ti pur, le Ti6A14V (TC4) et le Ti6A17Nb, qui peuvent être largement utilisés dans les pièces aérospatiales (figure 3) et les implants artificiels (tels que les os, les dents, etc.).

Avantages et inconvénients de l'impression 3D de moules en plastique

Comment imprimer en 3D des moules en plastique ?

L'utilisation de matériaux durables et résistants à la chaleur, associée à une imprimante 3D pour plastique (ou polymère), permet aux entreprises de produire leurs moules d'injection en interne ou de se les procurer rapidement auprès d'un prestataire de services.

Quels sont les avantages de l'impression 3D de moules en plastique ?

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

L'impression 3D réduit les obstacles à la validation de nouveaux outils qui répondent à des besoins de fabrication non satisfaits, en permettant l'intégration d'un plus grand nombre de dispositifs mobiles et fixes dans les processus de production. Traditionnellement, les outils et les équipements connexes ont été conçus pour une durabilité maximale afin d'éviter les coûts et la main-d'œuvre considérables associés à la reconception et à la production. Grâce à la technologie de l'impression 3D, les entreprises peuvent désormais remettre à neuf n'importe quel outil à n'importe quel moment, sans se limiter à ceux qui ont été mis au rebut et jugés inadaptés.

Faible coût

Les méthodes traditionnelles de production de moules d'injection sont généralement coûteuses et fastidieuses, car elles nécessitent des machines de précision et l'expertise du mouliste. En revanche, l'impression 3D offre une alternative plus rentable pour la production de moules.

L'impression directe de moules à partir d'une imprimante 3D peut convenir aux pièces de faible volume (de 100 à plus de 10 000 pièces, selon le matériau) et peut coûter jusqu'à 90% de moins que les moules en métal. L'impression 3D de plastique s'impose comme la méthode de fabrication de moules privilégiée lorsque des délais de livraison courts et des coûts peu élevés sont des considérations essentielles.

Selon les rapports, les moules imprimés en 3D peuvent permettre d'économiser jusqu'à 80% de coûts par rapport aux technologies traditionnelles. Ils sont beaucoup plus rapides et moins chers que la production traditionnelle de moules en métal. Plusieurs versions de moules peuvent être imprimées simultanément, ce qui offre davantage d'options d'application et les rend adaptées à l'externalisation des fabricants. Cette solution interne empêche les fuites de données et protège les droits de propriété intellectuelle, garantissant ainsi que les produits de l'entreprise sont toujours disponibles. pièces moulées par injection maintenir la même qualité.

L'impression 3D nécessite moins d'étapes que l'usinage, avec une moyenne de seulement six jours de travail pour compléter le moule et la pièce. En fait, la fabrication d'un moule peut être réalisée en quelques heures seulement, ce qui rend le processus rapide et efficace.

Les moules d'injection complexes peuvent désormais être imprimés en 3D à l'aide de résines dissolvables, d'imprimantes 3D en plastique (ou en polymère) et de matériaux durables et résistants à la température. Cette avancée permet aux entreprises de produire leurs propres moules en interne ou de se les procurer facilement auprès de prestataires de services.

Quels sont les inconvénients de l'impression 3D de moules en plastique ?

Les moules en plastique présentent généralement une conductivité thermique inférieure à celle des moules en métal, ce qui entraîne des temps de refroidissement plus longs pour les pièces moulées par injection. En outre, ils ont tendance à se dégrader plus rapidement que leurs homologues en métal, ce qui nécessite souvent des processus de post-usinage pour obtenir une précision optimale. En outre, les moules en plastique sont limités par des options de taille restreintes.

Quels sont les exemples typiques de moules en plastique pour l'impression 3D ?

Moule Zetar

Zetar Mold est une entreprise de moulage par injection basée à ShangHai, en Chine, qui propose des services de création rapide de moules et de moulage par injection de petites séries. En réponse à la demande croissante de production de faibles volumes, Zetar Mold a adopté la technologie de l'impression 3D pour créer des moules en plastique rentables afin de produire plus rapidement de petites commandes. Au cours de leur exploration, ils ont découvert que l'imprimante 3D SLA de Formlabs, associée à la résine chargée de verre Rigid 10K Resin de la société, était la solution idéale pour leur machine de moulage par injection industrielle Babyplast.

Grâce à Formlabs, Zetar Mold est en mesure de produire rapidement des moules d'injection imprimés en 3D. Après la phase de conception, Zetar Mold peut imprimer et effectuer le post-traitement du moule en une seule journée. En intégrant la pièce imprimée au cadre métallique existant du moule, l'assemblage peut être achevé en seulement trente minutes, ce qui permet de commencer immédiatement la production. processus de moulage par injection. Bien que chaque moule soit généralement limité à une centaine d'utilisations, Zetar Mold peut imprimer simultanément plusieurs moules pour répondre à des commandes plus importantes.

Les imprimantes 3D Markforged pour produire des moules en thermodurcissable. L'entreprise avait besoin d'un moule thermodurcissable durable pour remplacer le processus coûteux de silicone externalisé, capable de résister à des forces de serrage importantes lorsqu'il est exposé à des températures allant jusqu'à 150 °C.

Markforged a réussi à créer un moule en 60 heures environ en utilisant l'imprimante 3D X7 et les matériaux Onyx, pour un coût d'environ $240 par moule. En comparaison, la production de moules en silicone usinés nécessitait 144 heures et entraînait des dépenses d'environ $1 000 par moule.

Addifab

La production de prototypes utilisant la même conception et les mêmes matériaux que le produit final peut considérablement améliorer et accélérer le processus d'essai des prototypes. Addifab, une startup basée en Belgique, est spécialisée dans la fourniture de moules imprimés en 3D pour le moulage par injection.

Addifab propose une résine exclusive pour les moules d'impression 3D qui peut supporter des pressions d'injection allant jusqu'à 2 500 bars et des températures de fusion de 450°C. Par la suite, le moule se dissout complètement dans une solution alcaline aqueuse dans les 12 à 48 heures. Addifab utilise cette résine soluble pour imprimer en 3D des moules d'injection.

Wilson Sporting Goods a récemment utilisé la résine Addifab sur son imprimante grand format Nexa3D NXE 400 pour produire efficacement plusieurs versions de moules d'injection pour de nouvelles poignées de battes de baseball.

Quels sont les matériaux des moules en plastique ?

Nylon

Caractéristiques du matériau : Le nylon présente une résistance aux températures élevées, une bonne ténacité et une grande solidité. Par rapport à d'autres matériaux, le nylon présente d'excellentes caractéristiques telles qu'une grande fluidité, une faible électricité statique, une faible absorption d'eau, un point de fusion modéré et une grande précision dimensionnelle des produits.

Sa résistance à la fatigue et sa ténacité peuvent également répondre aux besoins de pièces nécessitant des propriétés mécaniques plus élevées. Il s'agit d'un plastique technique. Matériau idéal pour l'impression 3D.
Applications courantes : boîtiers et enceintes, articles de sport grand public, prototypes complexes de pièces en plastique et prototypes de forme, d'assemblage ou fonctionnels.

Nylon haute performance

Caractéristiques principales : Matériau malléable et flexible présentant une durabilité, des performances et une résistance aux chocs élevées.
Applications courantes : Prototypes résistants aux chocs, gabarits, montages, tuyaux et boîtiers à parois minces, boutons-pression, clips et charnières.

Résine photosensible importée

Caractéristiques des matériaux : Les matériaux à base de résine photosensible sont largement utilisés en raison de leur grande douceur et de leur durabilité. Les pièces imprimées avec ce matériau peuvent être soumises à des processus de post-traitement tels que le meulage, le polissage, la peinture, la pulvérisation, la galvanoplastie et la sérigraphie. Ses performances sont similaires à celles du plastique technique ABS. Grâce à sa grande précision et à sa surface délicate, il peut être utilisé non seulement pour les pièces d'aspect, mais aussi pour la vérification de la structure, de l'assemblage et du fonctionnement.

Applications courantes : appareils ménagers, fabrication rapide, modèles de prototypes, produits électroniques, éducation et recherche scientifique, modèles architecturaux, modèles artistiques, construction automobile et autres domaines.

Conclusion

L'industrie du moulage par injection, qui connaît une croissance rapide et une forte concurrence et représente des centaines de milliards de dollars, a incité les fabricants à rechercher des moyens plus efficaces et plus rentables pour rester à la pointe du progrès.

L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, permet à ces entreprises de produire des moules et des outils de moulage par injection de qualité supérieure plus rapidement et à moindre coût que les procédés traditionnels. On pourrait dire que les moules imprimés en 3D sont en train de révolutionner le secteur de la fabrication de moules.