10 conseils pour concevoir un moule polymère en impression 3D

La fabrication additive - impression 3D permet de produire des prototypes et des pièces fonctionnelles rapidement à partir d’une large gamme de matériaux. Les technologies d’impression 3D offrent aussi la possibilité de concevoir des pièces complexes, impossibles à fabriquer avec des procédés conventionnels (injection, usinage…).

Dès lors qu’il s’agit de produire des centaines de prototypes identiques ou des petites séries de pièces finales polymères, plusieurs options sont possibles :

• Imprimer les pièces à l’aide d’une technologie de fabrication additive
• Faire usiner un moule standard (métal) pour injecter les pièces
• Concevoir un moule en impression 3D pour injecter, mouler ou thermoformer les pièces

Les matériaux d’impression 3D étant souvent plus coûteux, il peut s’avérer plus rentable et rapide d’opter pour le moulage dans une empreinte imprimée en 3D. L'exemple d'une étude menée avec Braskem pour la production de sangles de masques démontre la rentabilité et réactivité de l'empreinte polymère.

L’utilisation d’un moule imprimé en 3D est un choix idéal lorsqu’il est question d’injecter, thermoformer ou mouler des pièces « bonne matière ». Une large gamme de thermoplastiques peuvent être injectés dans des moules imprimés en 3D : PP, PE, TPE, TPU, POM ou PA. D’autre part, la conception d’un moule polymère offre souvent plus de réactivité et de flexibilité que l’usinage d’un moule métal.

Formlabs a mené plusieurs études et projets en collaboration avec de nombreux industriels afin d’évaluer l’intérêt de l’utilisation d’un moule polymère imprimé sur la technologie d’impression 3D SLA pour l’injection, le thermoformage et le moulage de petites séries de pièces. Cela leur permet également d’établir une liste de recommandations pour la conception de l’empreinte imprimée en 3D, à découvrir ci-après.

Conseil n°1 : Penser la conception de l’empreinte pour la fabrication additive

Concevoir une empreinte en fabrication additive - impression 3D, nécessite de s’affranchir des codes habituellement employés pour la conception en conventionnel. Il faut penser design pour la fabrication additive ! Autrement dit, respecter les règles DfAM (démarche de conception pour la fabrication additive).

Conseil n°2 : Sélectionner un matériau suffisamment résistant

Le choix du matériau qui constitue l’empreinte en impression 3D est primordial. Il faut en effet veiller à ce qu’il soit suffisamment résistant en température et en pression afin de pouvoir utiliser l’empreinte sur plusieurs cycles sans risque de casse.

Formlabs a développé la résine High Temp (HT), qui présente une température de fléchissement sous charge (HDT) élevée : 238 °C à 0,45 MPa. Comme son nom l’indique, cette résine est adaptée au moulage par injection de différents matériaux.

Dans le cas de formes complexes, il y a un risque de déformation au-delà d’une dizaine de cycles. Pour éviter ce phénomène, Formlabs a mis au point deux alternatives, la résine Grey Pro et plus récemment la résine Rigid 10K.

De son côté, la résine Grey Pro dispose d’une conductivité thermique plus faible que la résine High Temp, la rendant plus souple et permettant de résister à plusieurs centaines de cycles. La durée de refroidissement sera néanmoins plus longue.

L’option la plus polyvalente est la résine Rigid 10K, qui permet de réaliser des géométries complexes et un nombre de cycles élevé. Chargé en verre, ce matériau est résistant, rigide et thermiquement stable (HDT 218°C à 0,45 MPa et module de traction de 10 000 MPa).

Conseil n°3 : Optimiser la précision dimensionnelle

Afin d’obtenir un dimensionnel d’empreinte le plus conforme possible, la première étape est de se lancer en imprimant une première version qui permettra de mieux comprendre les écarts dimensionnels. Des ajustements seront à prévoir :

• En phase de pré-traitement, il est recommandé d’ajouter des marges de tolérance au modèle CAO pour compenser tout écart dimensionnel lié à l’impression ou au post-traitement
• En phase de post-traitement, un léger fraisage mécanique ou un ponçage manuel aident à respecter les dimensions critiques et facilitent l’ajustement des deux parties du moule.

Conseil n°4 : Veiller à la précision de la technologie d’impression 3D choisie

Les effets de strates ou traces de lignes de couche sur des empreintes comportant des creux impactent considérablement la qualité de finition des pièces qui seront produites à partir de l’empreinte. La surface du moule doit être la plus lisse possible pour éviter une réplication des strates sur la surface des pièces moulées.

La technologie d'impression 3D qu'utilise Formlabs est une forme avancée de stéréolithographie (SLA) appelée stéréolithographie à faible force (LFS)™

Le procédé d’impression 3D Low Force Stereolithography (LFS)™ utilise l’illumination linéaire et un bac flexible pour transformer de la résine liquide en pièces solides. Cette forme avancée de stéréolithographie réduit considérablement les forces de décollement afin d’offrir une qualité et une fiabilité d’impression exceptionnelles.

En raison de sa haute résolution, ce procédé permet également de texturer l’empreinte en offrant une bonne reproductibilité des détails même complexes.

Conseil n°5 : Limiter la consommation de matière

Afin de réduire la part matière employée pour la réalisation de l’empreinte polymère, Formlabs conseille d’amincir les parois des moules de grande taille. Il faut ainsi ajuster l’arrière du moule en diminuant la section transversale des zones qui ne soutiennent pas la cavité. Cela permettra non seulement de réduire les coûts en matériau, mais également le risque d’erreur d’impression et de déformation.

Conseil n°6 : Eviter les sections transversales trop fines dans le moule polymère

Lors de la conception du moule, Formlabs met en garde sur l’épaisseur minimale à conserver. En effet, il faut veiller à éviter les sections transversales trop fines et à conserver une épaisseur de surface raisonnable (supérieur à 1-2 mm) pour empêcher tout risque de déformation sous l’effet de la chaleur. L’épaisseur des parois des parties qui supportent la cavité devra quant à elle être la même partout. D’autre part, les éléments en creux d’épaisseur inférieure à 0,5 mm peuvent poser des problèmes de définition, tandis que les éléments verticaux dont l’épaisseur est inférieure à 0,1 mm peuvent se casser. 

Conseil n°7 : Anticiper les problèmes d’alignement des blocs et risques de bavure

Afin de réduire un éventuel décalage dans l’alignement des blocs de l’empreinte, il est recommandé de concevoir le moule pour qu’il soit plat d’un côté et avec l’empreinte du modèle de l’autre côté. Ajouter des tenons de centrage dans les coins du moule pour aligner les deux impressions est aussi une solution.

En fonction de l’empreinte, cette solution n’est pas toujours possible. Un post-traitement par fraisage mécanique ou ponçage manuel pourra faciliter l’ajustement et réduira les risques de bavure posés par les moules en deux parties.

Conseil n°8 : Prolonger la durée de vie du moule

La durée de vie d’un moule imprimé en 3D dépend de sa complexité, de la matière utilisée et des conditions de moulage.

Tandis que des centaines de pièces peuvent être injectées dans un moule imprimé en 3D avec des matériaux à basse viscosité tels que le polypropylène, les plastiques plus techniques comme le polyamide permettront un plus petit nombre de cycles. Un moule polymère en impression 3D n’offrira pas la même performance qu’un moule usiné en métal. Les moules imprimés peuvent se fendre en raison de la chaleur et de la pression moins bien tolérée.

Augmenter les temps de cycle et optimiser le refroidissement de la surface au moment de l’injection contribuera à réduire le risque de rupture du moule et prolongera sa durée de vie. Cependant, pour réduire au mieux la pression dans la cavité, il est recommandé de prévoir de larges évents du bord de la cavité aux bords du moule pour permettre à l’air de s’échapper au lieu d’être piégé à l’intérieur. Une profondeur d’évent de 0,05 mm est conseillée afin d’améliorer le flux matière, réduire la pression et éviter les bavures autour des canaux d’injection. Cela permettra également de diminuer la durée de cycle. En complément, un angle de dépouille de deux à cinq degrés peut être ajouté.

Conseil n°9 : Assurer le bon refroidissement de l’empreinte

Comme vu au point précédent, le refroidissement de la surface de l’empreinte est un facteur clé pour prolonger sa durée de vie et éviter une fissure en quelques cycles. Pour améliorer cela, il est recommandé d’intégrer des canaux de refroidissement au moment de la conception du moule.

Conseil n°10 : Post-polymériser le moule imprimé en 3D

En fonction de la technologie d’impression 3D employée pour la réalisation du moule, quelques étapes sont à prévoir pour renforcer ses propriétés mécaniques et thermiques après impression, en prévision de ses cycles d’utilisation.

Par exemple, dans le cas de la technologie Formlabs, il est recommandé de post-polymériser le moule afin d’augmenter sa température de fléchissement sous charge :

• Pour un moule réalisé en résine High Temp : post-polymérisation de la pièce avec ses supports pendant 120 minutes à 80 °C, puis à 160 °C pendant trois heures.
• Pour un moule en résine Rigid 10K : post-polymérisation avec ses supports dans la Form Cure à 70 °C pendant 60 minutes, puis à 125 °C pendant 90 minutes.

A titre d'exemple, voici ci-dessus les données obtenues avec la résine High Temp en fonction du post-traitement appliqué : Green signifiant un nettoyage de 5 minutes sans post-traitement, Post-Cured signifiant un post-traitement à 80°C pendant 120 minutes avec la technologie Form Cure, et Post-Cured + Thermally Post-Cured fait référence au post-traitement à 80°C pendant 120 minutes additionné d'un durcissement thermique pendant 180 minutes à 160°C

La température de fléchissement sous charge est nettement améliorée, témoignant de l'importance de l'étape de post-traitement pour renforcer l'empreinte polymère en vue de l'injection de petites séries de pièces.