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Empreinte polymère pour l'injection

23 avril 2021

Injecter dans une empreinte conçue en impression 3D résine : quels retours d’expérience ?

Afin de valider l’utilisation d’une empreinte imprimée en 3D sur une technologie résine pour le moulage de pièces par injection, le pôle Performance Industrielle et son partenaire EnvisionTEC ont travaillé conjointement en menant plusieurs essais. Découvrez les résultats de ces essais, les points de vigilance et les réflexes à adopter.

Conception des empreintes en impression 3D résine EnvisionTEC

L’empreinte a été conçue par EnvisionTEC, avec une technologie d’impression 3D DLP optimisée (Digital Light Processing).

Le processus d’impression DLP utilise une cuve remplie de résine photopolymère qui est exposée à la lumière d’un projecteur haute définition afin de solidifier la matière et de concevoir la pièce finale couche par couche. Cette technologie permet d’imprimer de façon rapide des objets d’une résolution élevée.

L’ensemble des imprimantes 3D développées par EnvisionTEC et utilisant la technologie DLP peuvent être utilisées afin de concevoir des empreintes polymères, le choix se faisant en fonction de la productivité recherchée et de la dimension souhaitée pour l’empreinte. Toutefois, deux imprimantes sont particulièrement préconisées pour ce type d’application : l’Envision One CDLM qui offre rapidité, précision et de très bonnes performances mécaniques, et la technologie Xtreme DLP grand volume qui de son côté utilise un double projecteur 4K et une cuve chauffée, permettant de réaliser des pièces plus grandes sans sacrifier la qualité de surface et la précision.

Imprimante 3D Envision One Imprimante 3D Xtreme 8K

La technologie 3D résine DLP offre une large gamme de matériaux pour la construction de pièces fonctionnelles et durables, pour l’industrie ou le secteur médical par exemple, y compris du silicone semi-translucide Shore A40, des matériaux haute rigidité, résistants en température (jusqu’à 230°C), ignifugés et certifiés UL94-V0, etc.

Ainsi, plusieurs solutions matières répondent aux critères pour les applications d’empreintes polymères destinées au moulage par injection et leur compatibilité avec des matériaux pour l’injection tels que le PP, le PP renforcé en fibre de verre, le PBT, le TPE-S, l’ABS, le PE, ou encore le POM, a été validée.

Dans notre cas, il s'agit de la résine E-Perform qui a été utilisée pour concevoir l'empreinte, idéale pour créer des pièces solides et résistantes aux hautes températures.

Empreinte 3D Envisiontec Technologie 3D résine

Une fois la conception de l’empreinte polymère en impression 3D finalisée, plusieurs essais ont été réalisés par le pôle Performance Industrielle, sur la plateforme technologique de Polyvia. L’objectif était de valider la viabilité de l’empreinte, les paramètres de transformation adéquats pour transformer des matières courantes en injection et d’identifier les points de vigilance.

Essais d’injection de PP

Le premier essai portait sur une matière très utilisée en plasturgie : le polypropylène (PP). Les essais ont été réalisés sur la géométrie du démonstrateur matériautech GEM. Le choix a été fait d’injecter la pièce en direct à partir de la carotte dans le but premier de limiter les niveaux de pressions au niveau des empreintes.

En comparaison d’un outillage conventionnel, les temps de refroidissement sont augmentés car les échanges thermiques sont plus lents et évitent ainsi une déformation de la pièce au démoulage. Aucune tendance au collage de la matière PP sur l’empreinte n’a été observée.

La principale difficulté est de maîtriser la température de l’outillage, malgré une température de mise en œuvre du PP proche de seulement 200°C. Il est nécessaire d’adapter le temps de cycle pour laisser l’empreinte polymère redescendre à une température d’environ 30°C avant de débuter le cycle suivant. Afin d’éviter que la matière ne reste trop longtemps dans le fourreau pendant le temps de refroidissement, il faut alors augmenter le temps de retard dosage en conséquence. En résumé, le temps de dosage doit se terminer au moment où le refroidissement de la surface empreinte prend fin. Dans l’absolu, il faudrait réduire de quelques degrés le profil de température fourreau en raison de ce temps de retard dosage plus long.

Notre pôle dispose d’un système de capteurs Kistler, permettant de surveiller l’évolution de la température et de la pression empreinte en temps réel pendant le cycle d’injection.

A partir des courbes de surveillance, il a été possible d’ajuster les paramètres afin d’obtenir un résultat optimal.

Température empreinte

Si l'on s'attache aux paramètres d'injection dans une empreinte acier VS une empreinte polymère, la différence porte essentiellement sur les éléments du tableau ci-dessous :

Paramètre d'injection empreinte acier VS empreinte polymère

Avec ces paramètres, 270 pièces ont été moulées en cycle automatique et l’empreinte n’a subi aucun dommage. Un léger éclaircissement de la teinte des empreintes au niveau des surfaces moulantes est à noter, mais l’outillage pourrait encore produire au moins autant de pièces.

Pièce injectée en PP

Essais d’injection de PA66 GF30

L’empreinte utilisée pour l’injection des pièces en PP a été réutilisée pour l’injection de PA66 renforcé en en fibre de verre, sans préparation particulière de l’empreinte et en cycle automatique. Les essais ont permis d’injecter 65 pièces en PA, jusqu’au détachement de quelques morceaux de l’empreinte, signe d’un vieillissement de la matière qui la constitue.

Il est important de noter qu’en fonction des matières que l’on injecte, la durée de vie de l’empreinte n’est pas la même. Cela s’explique notamment par une pression empreinte plus forte et/ou par une température empreinte plus élevée durant le cycle.

Ainsi, en raison de la montée en température nécessaire à l’injection du PA66 par rapport à l’injection de PP, l’empreinte a atteint ses limites plus rapidement.

Température empreinte injection de PA66

En effet, nous avons observé une montée en température de l’empreinte au niveau de la surface pièce de +22 à +27°C pendant le cycle d’injection, machine stabilisée en cycle, soit une température sensiblement plus haute que ce que l’on peut observer avec une empreinte acier en injection.

La température de surface atteignait quant à elle 86°C avec un temps de soufflage entre-cycle de 60 secondes et sans circuit de refroidissement sur la partie fixe de l’empreinte. Il faut noter que cette température serait très certainement inférieure à 80°C avec un circuit de refroidissement opérationnel.

Ci-dessous, la 50ème pièce réalisée en injection avec cette matière :

Pièces injectées en PA66

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