En plasturgie, l'injection d'un plastique permet d'obtenir en une seule opération des pièces finies, de formes complexes, dans une gamme de masses de quelques grammes à plusieurs kilogrammes.
Principe de l'injection 500px|centré|vignette|Schéma de principe d'une presse à injecter. Légende : Vis de plastification contrôlée par la presse Trémie d'alimentation Buse d'injection Partie fixe du moule Empreinte/pièce Partie mobile du moule
1+2+3 = Cylindre de plastification (ensemble vis-fourreau).
Les fonctions du système de plastification et d'injection consistent à fondre la matière plastique et à l'injecter dans le moule.
La presse contrôle la vitesse et la pression d'injection de la matière dans le moule.
Contrairement au moulage de pièces métalliques, le temps de cycle pour fabriquer une pièce en injection dépasse rarement la minute. De plus le moule est constamment thermorégulé par un circuit de refroidissement.
Tout d'abord, l'empreinte du moule est remplie en moins d'une seconde pour les petites pièces (touches de téléphones portables, presse-étoupe…) et en quelques secondes pour les pièces de plus gros volumes (dossier de chaise, pare-chocs de voiture, pièces de carrosserie). Ensuite vient la phase de maintien ou de compactage durant laquelle la presse met l'empreinte sous pression en injectant plus de matières afin de combler le retrait du plastique. Pour finir, les pièces sont extraites, souvent avec l'aide d'une batterie d’éjection, par une opération de préhension manuelle, par des manipulateurs automatiques, ou par gravité.
Outillage
L'outillage ou moule, est en général constitué d'une partie destinée à être fixée sur le plateau fixe de la presse, et d'une partie qui va être fixée sur le plateau mobile et qui va se déplacer pour pouvoir libérer la pièce une fois refroidie. Il est souvent doté d'un système d'éjection chargé de pousser la pièce en dehors du moule et, selon les besoins, de parties moulantes mobiles permettant de réaliser les formes en contre-dépouille.
Un moule doit remplir plusieurs fonctions :
fonction mise en forme ; fonction alimentation ; fonction régulation ; fonction refroidissement de la pièce ; fonction éjection.
Fonction mise en forme ou empreinte Dans un moule d'injection, le nombre d'empreintes est généralement un nombre pair (en dehors des moules mono-empreinte) pour des raisons d'équilibrage de remplissage.
Le choix du nombre dépend essentiellement de la quantité à produire à fin de vie du moule.
La forme de la pièce se fait par l'empreinte qui se répartit entre les deux parties (fixe et mobile) du moule et d'autres éléments auxiliaires tels que (tiroirs - cales montantes - noyaux) dans le but de faire des formes en contre-dépouilles (des formes qui ne se démoulent pas l'axe d'ouverture du moule).
Fonction alimentation Principe La fonction alimentation a pour but de transférer la matière plastifiée du fourreau de la presse, vers l'empreinte du moule. Au cours de ce cheminement, la matière est soumise à différentes contraintes en passant par : la buse d'injection ; le reçu de buse du moule ; les canaux d'alimentation ; les points d'injection ; les formes de la pièce.
Canaux d'alimentation Il existe deux grands types de canaux d'alimentation :
les canaux d'alimentation standards : Ils sont placés directement dans la plaque du moule et doivent être démoulés comme la pièce après chaque injection. La matière utilisée pour les canaux à chaque injection reste attachée à la pièce et cela nécessite une opération d'enlèvement. Le déchet doit être géré et broyé pour être recyclé.
alimentation sans déchets ou par canaux chauds : ceux-ci doivent conduire la matière moulée dans l'empreinte sans déperdition de chaleur. Ils sont chauffés séparément de l'outillage (entre et suivant la matière injectée). Techniquement il faut donc isoler le canal du reste de l'outillage dont la température est nettement inférieure. La matière du canal n'est pas perdue.
Fonction régulation La régulation de la température de l'outillage se fait à travers un fluide caloporteur qui peut être : l'eau pour des températures faibles (eau à ) ; l'éthylène glycol (par exemple) pour des températures inférieures à (généralement utilisé pour des aspects polyglace) ; l'huile pour des températures atteignant ou l'eau pressurisée pour des températures de à ; l'air dans des cas extrêmes où le moule est endommagé (circuit fissuré donc fuite et défaut d'aspect). Ce liquide est envoyé à travers des canaux percés dans la carcasse de l'outillage et les empreintes en utilisant un thermorégulateur.
Fonction éjection La plupart des pièces réalisées par injection plastique resteraient dans le moule après son ouverture et ne seraient pas évacuées sous l'effet de la gravité seule si aucun système d'éjection n'existait.
Plusieurs systèmes ont donc été conçus afin d'aider l'extraction de la pièce à l'ouverture du moule :
Éjecteurs Les éjecteurs sont des barres métalliques cylindriques pleines (parfois creuses) qui, lors de l'ouverture du moule, viennent pousser la pièce plastique pour l'extraire du moule. Il s'agit de la technique d'éjection la plus utilisée car elle peut s'appliquer à quasiment toutes les pièces plastiques. Les traces des éjecteurs sont souvent visibles sur la pièce et sont considérées comme « inesthétiques ». Les concepteurs de pièces injectées s'arrangent alors pour que ces traces d'éjecteurs se situent sur la partie cachée de la pièce plastique lors de son utilisation.
Plaques dévétisseuses La fonction de la plaque dévétisseuse est la même que celle des éjecteurs. Il s'agit d'une plaque qui va venir pousser sur les bords d'une pièce. Ces bords doivent donc se situer dans un même plan. L'avantage principal d'une plaque dévétisseuse est le fait qu'aucune marque n'est réellement visible sur la pièce finie.
Écoulement de la matière dans le moule L'écoulement de la matière dans le moule a fait longtemps l'objet d'études empiriques basée sur l'expérience du concepteur de moule en lien avec le concepteur de pièces. L'enjeu est considérable car un bon écoulement assure la qualité de la pièce finie et une bonne productivité. L'apport de l'informatique, et de la puissance de calcul associée, permet désormais à la rhéologie, devenue une spécialité offrant des solutions en plasturgie, d'apporter une aide à la décision au concepteur sur les choix à faire pour offrir une solution optimale.
Conception des pièces injectées
La conception de pièces injectées est un métier qui consiste à adapter une pièce afin de faciliter sa fabrication par injection plastique. « L'art » de concevoir une pièce injectée consiste à concevoir une pièce respectant toutes les contraintes exigées par la technique d'injection, tout en respectant le cahier des charges.
Contraintes de conception Des règles de conception pour les pièces injectées ont été définies grâce à l'expérience industrielle dans le domaine soit : l'éjection de l'air poussé par le plastique pendant l'injection, la diffusion égale du plastique dans le moule, la position des poussoirs qui éjectent la ou les pièce(s) finie(s), les pièces mobiles dans le moule
Dépouilles Afin de faciliter l'extraction de la pièce à l'ouverture du moule, ou afin de ne pas arracher de la matière lors de l'extraction de la pièce, aucune face de la pièce injectée ne doit être strictement perpendiculaire au plan de joint du moule (autrement dit, aucune face ne doit être strictement parallèle à la direction d'ouverture du moule). Si ce n'est pas le cas, on dit de cette face qu'elle n'est pas dépouillée. Pour des raisons fonctionnelles, des exceptions peuvent survenir et certaines faces peuvent ne pas être dépouillées. La surface de ces faces doit alors être la plus petite possible.
Afin de pouvoir démouler la pièce, aucune face ne doit comporter de dépouille négative. Un angle de dépouille positif minimum valant 2° est souvent cité.
Lors de dépouille négative, on parle alors de contre-dépouille. Celles-ci ont besoin d'un système adapté pour pouvoir permettre l'éjection de la pièce (cale-montante ou tiroir).
Épaisseurs constantes Pour éviter de nombreux défauts, il est conseillé d'avoir des épaisseurs constantes. Cela permet une bonne homogénéité de la matière et limite la présence de retassures ou de vacuoles.
De plus en injectant des pièces d'épaisseurs constantes, le retrait lors de la solidification est partout le même, ce qui limite l'influence des contraintes résiduelles induites. Plus les parois sont fines, plus la cadence de production sera élevée. Cet impératif de cadence ajouté au souci d'économie de matière interdisent l'utilisation de masselottes (utilisées en moulage de pièces métallique pour gérer l'alimentation des parties massives).
Nervurage Comme nous l'avons vu précédemment, il est conseillé d'avoir de fines épaisseurs de pièces. Malheureusement, dans certains cas, les pièces moulées subissent des contraintes importantes pouvant entrainer leurs ruptures.
Pour pallier ce problème, il faut renforcer la pièce tout en gardant de faibles épaisseurs. Le seul moyen à notre disposition est de mettre des nervures (généralement un triangle rectangle isocèle d'épaisseur de la pièce).
La forme des nervures ne doivent pas gêner le moulage et démoulage (angle de dépouille).
Défauts des pièces injectées Ci-dessous les défauts des thermoplastiques injectés.
Retassures
Les retassures sont dans leur grosse majorité des défauts de surface caractérisés par un affaissement de la matière, parmi elles : les retassures localisées : au voisinage de zones avec fortes variations d’épaisseurs (nervures) ; les retassures en osselets : le retrait de matière s’effectue sur une grande surface, de façon à se décoller de la paroi par pellicules (sauf sur les bords).
Mécanismes de formation :
Après le remplissage de l’empreinte et dès le commencement de son refroidissement, la matière chaude se rétracte (le retrait dépend de la matrice polymère utilisée, et des charges présentes : par exemple un polyamide PA66 avec une charge de fibre de verre de 30 % offre un retrait de 0,5 % alors que sans la charge il est de 2 %). La pression de maintien appliquée pour compenser uniformément ce retrait qui est inévitable lors du refroidissement mais les défauts apparaissent quand même.
Causes possibles : la pression de maintien est insuffisante, ce qui rend possible un retrait de la matière ; la vitesse d’injection est trop rapide, ce qui rend difficile le remplissage et rend ineffectif le maintien ; la matière est déjà solidifiée au niveau du seuil ce qui entraîne des difficultés pour le maintien ; les paramètres choisis accentuent le retrait.
Actions correctives : renforcer la pression de maintien ; baisser la vitesse d’injection et augmenter la température de la matière pour faciliter le remplissage ; améliorer la conception du moule (éviter les variations d’épaisseurs des pièces, placement du seuil d’injection) ; augmenter la température du moule et/ou diminuer la température de la matière (éviter un refroidissement trop rapide, avant que l'action de la pression de maintien fasse son œuvre).
Jet libre Mécanismes de formation :
La matière sort du seuil d’injection à la façon d’un jet d’eau à la sortie d’un tuyau d’arrosage. Le remplissage de l’empreinte se fait toujours en mode laminaire (écoulement de type fontaine avec projection du front de matière) mais la différence de pression entre l'entrée et la sortie du seuil fait que l'inertie prend le dessus sur la viscosité du polymère. Le front de matière est projeté jusqu’à un obstacle dans l'empreinte. L'effet sur la pièce s'avoisine à un serpentin en surface.
Causes possibles : mauvaise conception du moule : seuil d’injection mal positionné (positionné dans une forte épaisseur ou mal dimensionné) ; matière trop visqueuse ; pression au niveau de seuil trop importante.
Actions correctives :