1 Sommaire 1) Introduction 2) Matière plastique- Définitions et terminologie 3) Principe du moulage par injection 4) Phases d’un cycle d’injection 5) Caractéristiques d’une presse d’injection 6)Définition et calcul du retrait 7)Principe de l’injection-soufflage 8)Principe de l’extrusion 9)Principe de l’extrusion-soufflage 10)Principe de l’injection bi matière 11)Principe de l’injection à gaz 12)Défauts typiques au moulage par injection 13)Vertus et limitations du moulage par injection Moulage par injection Chapitre 1 Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès

2 Le plastique est actuellement utilisé partout (Emballage, Industries mécanique, électrique, civile,…). La fabrication des pièces par injection dépend de trois composantes : — la matière première ; — le moule ; — la presse. Pour une production rentable et de qualité, chacune de ces composantes doit tenir compte des caractéristiques intrinsèques des deux autres. En pratique, le processus se déroule de la façon suivante : On choisit d’abord une matière pour ses caractéristiques physiques, chimiques, esthétiques, etc., bien définies, répondant au cahier des charges. Ensuite on construit un moule dont les spécifications autres que la forme sont le mieux adaptées à la matière choisie. Pour la fabrication, on choisit une presse à injecter qui respectera à la fois les critères économiques et ceux de la qualité. Introduction Chapitre 1

3 1)Polymère : C’est une association de divers motifs chimiques de base appelés monomères. Matière plastique- Définitions et terminologie R et S sont deux monomères différents Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

4 2)Élastomère: polymère fortement élastique (caoutchouc,...). 3)Adjuvants : additifs organiques aux polymères pour modifier leurs propriétés physicochimiques.  Les plastifiants: transforment un matériaux rigide en matériau plus souple.  Les stabilisants: retardent, ralentissent ou inhibent les processus pendant la mise en route ou l'utilisation des matériaux (anti-oxygènes, stabilisant thermique,…).  Autres: (Colorants, anti-chocs, ignifugeants (contre inflammation), anti-retraits,…). 4)Résine : polymère auquel sont associés des adjuvants mais sans charges ni renforts. 5)Matière plastique : C’est une résine plus charges ou renforts. 6)Charges : Éléments additifs (craie, carbone, silice, quartz,…) pour améliorer les caractéristiques ou abaisser le prix de revient des résines 7)Renfort : Éléments fibreux d’origine minérale, végétale ou synthétique (Kevlar, verre, carbone, talc, Mica,…) permettant d’améliorer les caractéristiques mécaniques des matériaux. Définitions et terminologie (suite) Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

5 Les thermoplastiques Elles sont constitués de molécules linéaires dont la mobilité augmente avec la température. La plastification se fait par chauffage et la solidification par refroidissement. Les thermoplastiques peuvent être recyclées. Environ 80 % des plastiques mises en forme sont des thermoplastiques. - Les TP cristallines ont des chaînes moléculaires organisées en réseaux. - Les TP amorphes ont des chaînes imbriquées désordonnées. Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1 N.B: La structure cristalline est caractérisée par un intervalle de fusion étroit permettant une transition rapide de l’état solide à l’état liquide. De ce fait, tout refroidissement local dans le circuit d’alimentation de matière peut engendrer un étranglement et blocage de ce dernier. On utilise souvent la matière semi cristalline qui a une large bande.

6 Les thermodurcissables Un polymère thermodurcissable est constitué d’un réseau tridimensionnel de macromolécules qui ne peuvent pas être déformées par chauffage comme dans le cas des thermoplastiques. Les thermodurcissables ne peuvent pas être recyclées. ► La mise en œuvre des TD se fait par réaction chimique qui se produit par mélangeage des constituants de base (liquides, pâtes, poudres) ou par apport d’énergie qui détruit un inhibiteur. ► Les TD peuvent être renforcées avec fibres. ► La mise en forme des TD est exécutée avant ou pendant la réaction. L’objet est ensuite démoulé quand la réaction est complète ou quasi complète. ► Après durcissement de la matière, on ne peut plus reconformer la géométrie, c'est-à-dire on ne peut qu’usiner la pièce moulée ou la détruire. Exemple de TD: Polyester insaturé UP, polyuréthane PU, époxyde EP, … Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

7 Principe du moulage par injection Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1 1)Système d’alimentation (trémie)5) Systèmes de mise en forme (moule) 2)Système de plastification (résistances chauffantes) 6) Système de refroidissement (canaux) 3)Système de fermeture-verrouillage (genouillère, vérins)7) Système d’éjection (éjecteurs) 4)Système d’injection (vis et buse)

8 Un cycle d’injection se compose de six phases principales: 1. Fermeture du moule : ce mouvement commence avec une vitesse lente puis rapide, et se termine de nouveau lentement pour éviter le choc entre les plans de joint et pour donner le temps d’agir au système de sécurité. 2. Verrouillage : si le système de sécurité n’a décelé aucune anomalie, la commande peut appliquer la force de fermeture. 3. Injection et maintien : Le remplissage du moule s’effectue à haute pression. Le passage de la pression d’injection à la pression de maintien est appelé point de commutation qui correspond à un remplissage de 95 % de l’empreinte ; le reste doit être rempli avec la pression de maintien pour permettre d’évacuer les gaz résiduels, de compenser le retrait et de cristalliser la pièce moulée. 4. Refroidissement : il faut avoir le temps nécessaire pour que le plastique se solidifie dans le moule. Dans la pratique, on plastifie souvent, pendant ce temps, la matière pour le prochain cycle. De plus, au cours de ce temps, on peut séparer la buse du cylindre d’injection et le moule. 5. Ouverture du moule : le plastique étant suffisamment refroidi pour pouvoir être démoulé, la partie mobile du moule s’écarte de la partie fixe. 6. Démoulage : moule à la fin d’ouverture qui assure à la pièce l’espace libre pour être éjectée. Phases d’un cycle d’injection Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

Moules et outillages d'injection -Dép. GMP - EST de Fès 9 Durée des différentes phases de moulage Le temps du cycle touche directement le coût de fabrication: P H = n/C avec P H : production horaire (pièces/ h), n: nombre d’empreintes du moule, C : cycle moulage (en s). Chapitre 1

10 Plastification Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès La matière plastique est entrainée par la vis dans le pot d’injection où elle se plastifie grâce à des résistances chauffantes montées en série. Chapitre 1

11 Réglage du volume injecté Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès La rotation et le recul de la vis permet le stockage du polymère plastifié à l’avant du cylindre pour préparer la dose d’injection. Chapitre 1

12 Opération d’injection Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès La vis pousse la matière préparée à la manière d’un piston et le clapet anti-retour empêche la matière de remonter vers la trémie. Chapitre 1

13 Mécanismes de fermeture et verrouillage Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 14 Chapitre 1 Grafcet d’automatisation d’injection

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 15 Grafcet d’automatisation d’injection (suite) Chapitre 1

16 Caractéristiques d’une presse d’injection Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 1. Caractéristiques principales: La force de fermeture exprime la force que la presse peut développer pour serrer les deux parties du moule l’une contre l’autre. Le volume injecté ou capacité d’injection qui correspond au volume maximal exprimé en cm 3 que peut offrir le cylindre d’injection. 2. Autres caractéristiques La course d’ouverture détermine l’espace que le groupe de fermeture peut offrir à l’utilisateur pour extraire la pièce du moule. Elle limite la cote de profondeur de la pièce. La course d’éjection définit la course maximale du vérin d’éjection, ce qui conditionne la course des éjecteurs du moule. Le passage entre colonnes détermine la largeur maximale du moule que l’on peut monter sur la presse. Cette valeur se compose de deux chiffres, le profil et le dessus. Les dimensions des plateaux fixent les dimensions maximales dont on peut disposer pour monter un moule dans certains cas spécifiques. Le nombre de cycles à vide donne une indication sur les vitesses maximales que les mouvements d’ouverture et de fermeture peuvent atteindre. Chapitre 1

17 Calcul de la force de fermeture La pression p inj avec laquelle on doit injecter le polymère dépend des paramètres suivants: 1)Distance extrême de la pièce au point d’injection: L[mm] 2)Épaisseur minimale de la pièce: e[mm] 3)Viscosité du polymère: μ [Pa·S] 4)Débit nécessaire: Q [mm 3 /s] La pression p inj permet de dimensionner la force de fermeture de la presse : Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

18 Retrait : Définition Le refroidissement d’une TP fondue entraîne une diminution de son volume. Cette réduction de volume « retrait volumique » peut être mesurée par la différence entre la densité de la matière fondue et celle de la matière solide. ● Le retrait dépend de la nature du matériau, la géométrie de la pièce et les conditions de traitement (vitesse d’injection, pression et temps de maintien, température du moule,…). ● A l’intérieur d’un moule, les vitesses de refroidissement très élevées et non uniformes font que la matière solidifiée incorpore des contraintes internes qui pourront être soulagées une fois la matière éjectée de la cavité (Retrait post-moule). S = (D – d) / D × 100 % S : retrait en pourcentage D : dimension de la cavité du moule. d : dimension de la pièce moulée. Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

19 ● En général, le retrait n’est pas isotrope : Il convient de distinguer : – le retrait dans le sens de l’écoulement; – le retrait dans la direction perpendiculaire à l’écoulement; – le retrait en épaisseur. La somme de ces trois retraits définit le retrait volumique donné par les diagrammes PVT. ● Des retraits non uniformes peuvent être le résultat : – d’une épaisseur non uniforme; – d’une orientation non uniforme; – d’une température non uniforme du moule; – d’une pression de maintien non uniforme. Les contraintes internes qui résultent d’une anisotropie ou d’une non uniformité du retrait peuvent entrainer le gauchissement des pièces injectées. Retrait : Anisotropie et non uniformité Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

20 Retrait : Principe de calcul ► Notation: α ie retrait volumique entre T (injection) et T (éjection). α ea retrait volumique entre T (éjection) et T (ambiante). ► Caractéristiques d’injection: - température d’injection - température du moule - température d’éjection - pression d’injection ► Diagramme PVT : ce sont des courbes d’évolution du volume spécifique (cm 3 /g) en fonction de la température à différentes pressions. ► Remarque: Plus la pression est élevée lors de la mise en œuvre, moins le retrait est important et moins il dépend de l’orientation dans le cas des polymères à tendance cristalline. Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

21 ► Notation: On note: β ie retrait linéaire entre T(injection) et T (éjection). ► Remarque: Le retrait dépend de la liberté de la matière dans les trois directions. Il se calcule cote par cote. ► Exemple: (injection d’un anneau cylindrique) La cote R i est bloquée par le noyau, donc son retrait linéaire est β ie (R i ) = 0 Les cotes R i, e et h sont associées (le volume de l’anneau est v ≈ 2πR i eh), donc les retraits linéaires des cotes e et h se déduisent du retrait volumique comme suit : β ie (e) = β ie (h) = α ie /2 Retrait : Principe de calcul Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

22 On considère la pièce injectée ci-dessous en polypropylène supposé isotrope. Le retrait volumique de cette pièce est supposé être proportionnel à la température durant toutes les phases de son injection. La température de moulage de ce polymère est de 230°C avec une pression de commutation de 800 bars. La température au démoulage est de 80°C. On demande d’anticiper le retrait de la cote 50 sachant que Le diagramme PVT de ce polymère donne un volume spécifique de 1,247 cm 3 /g pour (800 bars, 230°C) et 1,10 cm 3 /g pour (1 bar, 20°C). Exemple de calcul du retrait Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

23 Le retrait volumique global est: α ia = ( ,1) / = 0,1179. Ce retrait s’applique proportionnellement en deux temps (inject, eject) et (eject, amb): 1.Dans le moule (injection-éjection), Le retrait volumique α ie = 0,1179 x (230-80) / (230-20) = 0,0842. La cote 46 de la poche est bloquée par le noyau, donc pas de retrait sur cette cote. Les cotes du périmètre intérieur p, de l’épaisseur e et de la hauteur h sont associées (vol = p.e.h). Or, le périmètre est bloqué par le noyau, donc vue l’isotropie, le retrait linéaire est le même suivant l’épaisseur ou suivant la hauteur. β ie (e) = α ie /2 = 0,0842 / 2 = 0, Hors du moule (éjection-ambiante) Le retrait volumique α ea = 0,1179 x (80-20) / (230-20) = 0,0337. L’épaisseur de cote 2 et la poche intérieure de cote 46 sont libres dans les trois directions, d’où leur retrait linéaire est égal au tiers du retrait volumique : β ea = 0,0337/3 = 0, Ainsi, la cote nécessaire du moule pour avoir la cote 50 sur la pièce après moulage est : 50 + (46 x 0, x 2 x 0,0421x 0,01123 ) = 50.7, Soit un retrait linéaire total de 1.4%. Exemple de calcul du retrait Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 24 L’injection–soufflage est un procédé utilisé pour fabriquer la plupart des bouteilles et des flacons. On utilise des pièces semi-finies (préformes) obtenues par injection dont le goulot est déjà entièrement formé. Le corps de la préforme est chauffé puis une tige étire la préforme jusqu'au fond du moule. Enfin, un très puissant jet d’air plaque la matière contre les parois du moule. La préforme prend alors la forme et le moule est refroidi puis ouvert pour faire sortir la bouteille. Comme pour l’injection, pour changer la forme de la bouteille, il suffit de changer de moule. Principe de l’injection-soufflage

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 25 Principe de l’extrusion L'extrusion est un procédé de transformation en continu. La matière plastifiée est poussée à travers une filière pour être mise à la forme souhaitée. On fabrique avec cette technique des produits de grande longueur comme des profilés, des canalisations, des câbles, des fibres optiques, des tubes, des grillages, des plaques et des feuilles plastique…

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 26 Principe de l’extrusion-soufflage L’extrusion soufflage permet de fabriquer des corps creux. Un tube extrudé encore chaud sortant de la filière est coupé et un moule froid en deux parties se referme autour de lui. Ensuite, de l'air est injecté dans la matière par une canne de soufflage et le polymère se plaque sur les parois intérieures du moule qui est rapidement refroidit.

27 Principe de l’injection bi matière Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

28 Exemple d’injection bi matière Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

29 Principe de l’injection à gaz Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

30 Exemple d’injection à gaz Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

31 Problèmes de gauchissement Mauvais remplissage Perte de transparenceRetrait de la pièce Défauts typiques au moulage par injection Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès Chapitre 1

32 Bavure au plan de joint Défauts typiques au moulage par injection (suite) Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès N.B: On dit que le moule baille, Cela est dû à un verrouillage insuffisant. Chapitre 1

Moules et outillages d'injection - Dép. GMP - EST de Fès 33 Avantages du procédé:  Adapté pour des pièces de géométries complexes.  Pièces à prix de revient unitaire relativement bas.  Grande précision et bons états de surfaces possibles, cela dépend de la qualité l’outillage et des paramètres d’injection.  Haute cadence de production.  Vaste gamme de matériaux plastiques.  Possibilité d’obtenir des propriétés sur-mesure en ajoutant des colorants, des lubrifiants, des charges,… Inconvénients du procédé:  Conception relativement difficile de l’outillage (prix élevé de l’outillage).  Faible résistance à la chaleur, au choc et à l’usure.  Problèmes potentiels de retrait, remplissage, déformation et de solidification. Nécessité de simulation et de prototypage de l’outillage. Vertus et limitations du moulage par injection Chapitre 1