Thermoformer dans un moule en impression 3D : un concept viable ?

Dans le cadre de ce projet, Massivit 3D, constructeur d’imprimantes 3D très grand format et partenaire de notre pôle Performance Industrielle, s’est associé à ACS Hybrid Inc., expert dans la production de moules de thermoformage pour l’aéronautique, et à 3D Composites, qui dispose de plus de 30 ans d’expérience dans la conception et production de pièces en impression 3D pour l’aéronautique.

Leur objectif : développer et tester un moule de thermoformage conçu sur l'imprimante 3D grand format Massivit 1800 Pro.

Les intérêts et enjeux de l’impression 3D d’un moule de thermoformage

Pour contextualiser cette étude, rappelons que l’impression 3D présente un atout majeur, elle n'utilise que les matériaux nécessaires à la production de la pièce. Ainsi, cette méthode de production génère bien moins de déchets et permet très souvent de réduire le coût global de production d’un outillage.

La pièce sélectionnée par 3D Composites est un moule de thermoformage pour l’aéronautique en grandes dimensions, nécessitant de multiples processus de fabrication, d’assemblage et de finition pour le concevoir. Pour cette étude de faisabilité, une petite partie de l’outillage a été sélectionnée et conçue.

Tandis qu’en utilisant des méthodes soustractives conventionnelles, il faut 12 pièces pour concevoir ce moule, il a pu être imprimé sur la Massivit 1800 Pro en seulement deux pièces.

Pour minimiser le temps de post-traitement, cette partie du moule a été imprimée avec la plus haute résolution, ce qui a nécessité 16 heures d'impression et 2,75 kg de Dimengel 90, un gel acrylique photopolymère mis au point par Massivit 3D.

Les étapes clés pour thermoformer à partir d’un moule en impression 3D

1. Renforcement du moule de thermoformage imprimé en 3D

La première étape pour renforcer le moule pour son utilisation consistait à percer un trou à l'arrière afin de verser une résine époxy, qui a également été étalée en couche très fine sur la partie intérieure du moule. Cette fine couche d’époxy rend le moule plus résistant en température et renforce sa surface.

Des trous supplémentaires ont été percés sur le côté du moule afin de verser un matériau polystyrène expansé qui, une fois dilaté, a rempli tout l’intérieur du moule. Le polystyrène expansé est simple à utiliser et peu coûteux, il permet d’ajouter de la rigidité et de créer un effet de dissipation de la chaleur sur la surface du moule.

Après ponçage de la surface, une dernière étape de perçage a été réalisée pour permettre à l’air de circuler pendant le process de thermoformage.

A gauche : dépôt d'une fiche couche d'époxy  |  A droite : coulée du polystyrène expansé

2. Inspection du moule par scan 3D

Avant de lancer la première production, l'outil a été inspecté manuellement pour s'assurer que la surface était lisse et exempte de défauts. Un scan 3D, Handyscan de Creaform, a ensuite été utilisé pour numériser le moule et enregistrer ses dimensions pour pouvoir contrôler le différentiel en fin d’essai. Le scan 3D permet aussi de révéler toute anomalie qui empêcherait l’utilisation du moule pour une application aéronautique ou toute autre application exigeante.

3. Premiers essais de thermoformage sur le moule imprimé en 3D

Après ces étapes d’inspection, un premier film en Kydex (ABS) d’épaisseur 1,6 mm a pu être chauffé entre 85 et 120 secondes, puis thermoformé sur le moule. Après environ 20 à 25 secondes, la pièce finie a pu être retirée de la machine de thermoformage. Ce processus a été répété pour les 45 films avec des périodes de refroidissement minimales entre les pièces.

Les résultats observés

Le moule conçu en impression 3D a permis de thermoformer 45 films en ABS, sans montrer de signes majeurs de détérioration. Les pièces obtenues peuvent avoir différentes finitions en fonction du cahier des charges : lisses ou structurées, brillantes ou mates.

Ce graphique montre les données de température pendant le processus de thermoformage des films en ABS : la température du moule, de la feuille et le temps de cycle (en secondes) ont été enregistrés.

La température du moule, après les 4 à 5 premières pièces thermoformées, a commencé à se stabiliser à environ 154 degrés Fahrenheit (environ 68°C). Ceci est important car la température de l'outil était en moyenne inférieure à 160 degrés. Fahrenheit (environ 71°C) pendant toute la période de production, ce qui garantit sa bonne fonctionnalité et ses performances.

Comme le temps de cycle a progressivement augmenté en raison d’une baisse de la température extérieure, le temps de chauffe a été augmenté en conséquence pour maintenir la température de la feuille stable.

Après cet essai, le moule a été à nouveau inspecté, pour rechercher tout signe d'usure et/ou de défaut. Aucun signe n'a été observé. Un deuxième scan de l'outillage a été effectué afin de comparer les dimensions après le processus de thermoformage aux résultats dimensionnels de base. Cela a montré une déformation de la surface de 0,6 mm au total sur les coins avant gauche et arrière droit. Il a été calculé que la chaleur du processus de thermoformage a probablement causé l'expansion de ces sections du moule. Il est ainsi recommandé de veiller à la montée en température lors du process et de réaliser un traitement du moule au préalable pour éviter les déformations. L’ensemble des données ont confirmé la résistance du moule de thermoformage pour la production des pièces, avec peu ou pas de signes de dégradation.

Scan 3D du moule réalisé après les essais de thermoformage

Les avantages de la réalisation d’outillage en fabrication additive

La fabrication additive permet d’internaliser la réalisation d’un moule ou de tout autre outillage et ainsi, de réduire les coûts, les étapes de fabrication et de gagner un temps considérable pour la réalisation du moule et des pièces finales.

En conclusion, les étapes nécessaires pour produire ce moule de thermoformage en utilisant des méthodes soustractives traditionnelles ont été réduites de 5 étapes à 3 étapes en utilisant la fabrication additive.