Sélection des matériaux et des procédés pour les pièces en plastique de haute performance

Ce document a pour but d’aider les ingénieurs concepteurs et ceux de l’industrie plastique qui les soutiennent à choisir la séquence de traitement et les matériaux qui maximisent les performances des pièces critiques.

Il existe un grand folklore au sein de la communauté plastique concernant les différences relatives entre les pièces plastiques usinées et moulées par injection. Cette théorie est facile à comprendre étant donné les valeurs des fiches techniques publiées par les producteurs de résine et de formes. Les valeurs indiquées sur les fiches techniques des résines sont presque toujours supérieures à celles publiées par les principaux fournisseurs de formes(http://bit.ly/datasheetreview). Ne laissez pas cette observation vous distraire ou vous ralentir dans votre mission de conception et de fabrication de la meilleure pièce possible. Ce malentendu peut entraîner des retards de production, des pièces de mauvaise qualité et/ou des dépassements de budget et, dans le pire des cas, des défaillances inattendues.

Conception de la pièce

Les éléments de toute conception doivent être pris en compte :

1. Exigences de performance
2. Attributs dimensionnels
3. Coût cible

Les deux premiers semblent évidents mais le coût cible est souvent négligé…après tout “
toutes les pièces en plastique ne sont-elles pas moins chères à fabriquer qu’une alternative métallique ?” Non, elles ne le sont pas.
De nombreux polymères à haute performance dépassent le coût des métaux spéciaux, même en volume. L’économie favorable généralement associée à une conversion au plastique provient du rendement amélioré du matériau et de la réduction des étapes de fabrication associées au moulage par injection d’une pièce en plastique à la taille finale au lieu de l’usiner à partir d’une pièce forgée, moulée ou de forme standard. Il faut toutefois inclure dans le coût le capital nécessaire pour un moule si les pièces sont destinées à être moulées par injection. Ce coût doit être pris en compte dans le volume attendu sur la durée de vie de la pièce.

L’usinage de pièces à partir de formes en stock élimine le besoin d’outillage et améliore considérablement la livraison des premières pièces, en plus d’offrir les avantages d’une meilleure précision en termes de performances et de dimensions.

Sélection des matériaux

Le choix de la résine pour une nouvelle pièce doit d’abord prendre en compte les besoins environnementaux et d’application de la pièce. Les considérations relatives à la température, aux produits chimiques et à la lumière du soleil sont combinées aux besoins de l’application, tels que la résistance à l’usure, la solidité, la transparence, etc. Une application aérospatiale nécessitant un équilibre entre la résistance à haute température et la résistance aux chocs à basse température pour une pièce structurelle peut conduire un concepteur à utiliser le Torlon PAI. Ou encore, une pièce de fond de puits O&G nécessitant une inertie chimique dans de la vapeur à haute température peut amener un ingénieur à choisir le PEEK comme famille de résine. Les plastiques transformables à l’état fondu comme le PEI, le PSU, le PPSU, le PPS, les acétals, le polycarbonate, le polyester et même les nylons sont couramment utilisés pour les pièces à haute performance. Les réponses à quelques questions clés permettent généralement de réduire la liste à 1 ou 2 très bonnes familles de matériaux.

• Ma pièce est-elle une pièce de roulement et d’usure ou un composant structurel ?
• Quelle est la plage de température de fonctionnement prévue ?
• Y a-t-il des exigences en matière d’apparence (transparence, couleur, etc.) ?
• Quels facteurs environnementaux spécifiques doivent être pris en compte ?
• Quelles sont les exigences minimales en matière de résistance ?
• La résistance à l’impact et/ou la ténacité sont-elles essentielles ?

Une conversation avec un professionnel de l’industrie peut généralement vous orienter vers quelques familles de plastique avec les réponses aux questions ci-dessus.

C’est alors que le processus de sélection des matériaux peut devenir délicat.

Chaque famille de matériaux comprend de nombreux grades et types de viscosité qui ont plus de sens pour les personnes travaillant dans le domaine de la transformation, mais une meilleure compréhension de la terminologie aidera les concepteurs de pièces qui possèdent généralement la désignation du matériau figurant sur un dessin technique. Par exemple, Solvay fournit plus de 8 qualités de Torlon, chacune avec une composition légèrement différente et quelques viscosités (poids moléculaires) différentes pour chaque qualité, et plus de 10 qualités différentes de PEEK, certaines avec des compositions différentes et d’autres avec des viscosités différentes. Des additifs tels que des fibres de verre et de carbone, du graphite, du PTFE, des huiles, des cires et des minéraux sont inclus dans chacune des résines de base ci-dessus pour améliorer certaines propriétés comme la solidité et/ou la résistance à l’usure. Cette situation existe pour toutes les familles de résine, ce qui signifie que plusieurs centaines de matériaux candidats peuvent exister pour une pièce spécifique.

Alors comment choisir et quand faire mon choix définitif de grade ?

C ‘est le moment idéal pour sélectionner provisoirement le grade, mais avant de sélectionner définitivement un grade et de l’ajouter à un dessin technique, il faut tenir compte de la sélection du processus.

Sélection du processus

En général, la combinaison de la taille/forme de la pièce et du volume prévu indique clairement que le moulage par injection ou l’usinage est la bonne voie de conversion.

Une fois que l’itinéraire de votre processus de conversion est mieux connu, il est temps de demander la contribution de vos fournisseurs. Bien qu’il existe de nombreux matériaux disponibles sous forme de formes à usiner, toutes les qualités de résine ne sont pas disponibles dans toutes les tailles.
Les formes extrudées sont presque toujours produites à partir des résines de poids moléculaire le plus élevé.
Pourtant, de nombreux ingénieurs font référence à un grade à faible viscosité conçu pour le moulage par injection sur l’impression d’une pièce à usiner. Cela conduit presque toujours à des problèmes d’approvisionnement et/ou de coûts. Dans la nomenclature Torlon, le Torlon 4203L est la désignation du grade à faible viscosité (débit plus élevé) destiné au moulage par injection. Les grades de viscosité supérieure utilisés dans la production de formes ne comportent pas la désignation “L”(http://bit.ly/gradedesignation). De nombreuses impressions comportent une référence au Torlon 4203L, alors que les pièces sont destinées à être usinées. Dans le système de dénomination des grades PEEK de Victrex, les grades 150 sont des grades à faible viscosité (débit plus élevé) développés pour le moulage par injection de pièces à paroi mince, tandis que les grades 450 sont mieux adaptés aux formes extrudées et aux pièces à paroi épaisse. Une fois encore, l’ajout d’une mention de matériau pour 150G pour les pièces usinées rendra impossible la conformité au dessin. Cette même situation existe pour de nombreux autres matériaux, notamment les plastiques à base d’acétal et de nylon.

Souvent, les qualités renforcées de verre et de carbone sont difficiles à trouver dans les grandes tailles et formes. Les mouleurs par injection expérimentés examineront les sections transversales des pièces et la géométrie globale avant de décider du grade qui remplira le mieux la cavité du moule, car il existe souvent 2 ou 3 viscosités parmi lesquelles ils peuvent choisir. N’oubliez jamais que les résines à faible viscosité (haut débit) remplissent les outils plus rapidement mais offrent moins de résistance pour les pièces finies. L’équilibre entre ces deux exigences fait partie du choix des matériaux.

Le moulage par injection est une méthode très rapide et efficace pour fabriquer des pièces en plastique.
Le moulage par injection est une méthode très rapide et efficace pour fabriquer des pièces en plastique, mais les frais d’outillage initial doivent être justifiés. Aujourd’hui, les moules coûtent entre 10 000 et 100 000 dollars, voire plus. Les qualités renforcées peuvent poser des problèmes de traitement en raison de l’orientation des fibres, mais ceux-ci sont presque toujours surmontés en travaillant en étroite collaboration avec votre mouleur qui peut s’appuyer sur des années d’expérience pour anticiper le flux du moule et la directionnalité des propriétés mécaniques qui en résulte. Les formes extrudées permettent un processus d’usinage très robuste qui permet d’obtenir la plus grande rigidité et résistance possible grâce à l’orientation de la pièce, avec peu ou pas de dépenses d’outillage ou de NRE. Les formes moulées par compression permettent de donner une forme à certaines matières plastiques non fusibles. Les exemples de plastiques qui ne sont moulés que par compression sont le PTFE, l’UHMW et presque tous les thermodurcissables. D’autres matériaux comme le PEEK et le PAI sont traités à la fois par extrusion et par moulage par compression. Bien que la résistance mécanique et la rigidité de la plupart des plastiques moulés par compression soient inférieures à celles de leurs homologues moulés par fusion, ils peuvent présenter une meilleure stabilité dimensionnelle lors de l’usinage.

Les formes et les tailles n’étant pas toutes produites de la même manière par chaque fabricant, il peut en résulter des caractéristiques de résistance et de rigidité différentes, même au sein d’une même catégorie de matériau. Travailler en étroite collaboration avec votre machiniste et le fabricant de formes est le moyen le plus fiable de garantir que vos pièces sont les meilleures et capables de fonctionner comme prévu.

Les phases de production pendant la durée de vie d’une pièce peuvent inclure l’usinage et le moulage.
. De nombreuses pièces sont initialement produites par usinage lorsque le volume est faible et que la conception est encore fluide. Elles sont ensuite converties au moulage par injection une fois que la conception est établie et le concept prouvé. Les ingénieurs de conception et d’approvisionnement doivent avoir une expérience de toutes les voies de production ou devraient au moins travailler avec des fournisseurs qui ont une vaste expérience de la transformation des polymères. Trop souvent, les ingénieurs concepteurs ont été frustrés de convertir des pièces en plastique usinées en pièces moulées par injection en s’attendant à ce que tous les attributs de performance restent les mêmes. L’orientation des fibres, la ténacité des pièces, les taux d’usure et la précision sont presque toujours différents entre les pièces usinées et les pièces moulées par injection. Même l’usinage d’une forme ou d’une pièce moulée par injection peut donner des caractéristiques différentes de l’usinage (d’une pièce) à partir d’une forme extrudée ou moulée par compression. Comprendre ces différences dès le début du projet permettra d’éviter des surprises inattendues lors des étapes ultérieures de la production.

La conception de polymères à haute performance, où la conception des pièces et du processus est essentielle à la performance du système, exige une expertise dans toutes les options de processus prévues. La combinaison unique de l’extrusion, du moulage par injection et de l’usinage en interne permet à Drake de toujours choisir le meilleur procédé pour une pièce spécifique, en tenant compte à la fois des aspects économiques et des performances.

Choisissez soigneusement vos processus et vos processeurs en vous rappelant l’adage :

Il n’y a pas de mauvais procédés… mais il y a des transformateurs et des ingénieurs mal informés
qui ne se renseignent pas sur les exigences fonctionnelles et ne modifient pas leur approche du choix des matériaux et des procédés en fonction de ces informations importantes.