Moulage par injection plastique aérospatial: Composants clés, considérations de conception, matériaux et tendances futures
Il y a sept semaines, le responsable qualité d'un entrepreneur de la défense nous a envoyé des photos de boîtiers de connecteurs PEEK qui avaient commencé à se fissurer sur la chaîne de montage. Pièces provenant du même lot de production, du même fournisseur, du même lot de matériaux -certaines parfaites, d'autres défaillantes. Ses mots exacts : "Nous utilisons ce fournisseur depuis trois ans et maintenant tout s'effondre."
Nous n'avons pas accepté ce projet. Non pas parce que nous ne parvenions pas à comprendre ce qui n'allait pas-la cause première était évidente moins d'une heure après avoir examiné leurs enregistrements de processus-mais parce que le véritable problème n'était pas les pièces. Le vrai problème était que leur processus de qualification des fournisseurs n’avait jamais posé les bonnes questions en premier lieu.
Cette situation se présente à notre porte environ une fois par mois maintenant. Quelqu'un a qualifié un fournisseur sur la base de ses certifications et de son prix, a produit pendant un an ou deux sans problème, puis quelque chose a changé et tout à coup, plus rien ne fonctionne. Le fournisseur jure que rien n'a changé. Le client ne dispose d'aucune donnée de processus permettant de prouver le contraire. Tout le monde pointe du doigt tandis que la chaîne de production reste inactive.
La vérité inconfortable sur les projets de conversion de plastique dans l’aérospatiale
Les aspects économiques de la conversion du métal-en-plastique semblent spectaculaires sur le papier. Les économies de poids s’ajoutent aux coûts de carburant tout au long de la durée de vie de l’avion. Les coûts unitaires diminuent de moitié ou plus en volume. Les délais de livraison se réduisent de plusieurs mois à quelques semaines.
La collaboration Aitiip-Liebherr citée partout-40 % de réduction de poids, 30 % d'économies : représente ce qui se passe lorsque tout se passe bien. Ce qui ne figure pas dans ces études de cas : les dix-huit mois de développement de processus, les trois itérations d'outillage, les investissements en équipements spécialisés qui ont rendu ces chiffres possibles.
Nous avons cité un programme de supports au dernier trimestre dans lequel le coût d'usinage de l'aluminium du client s'élevait à environ 400 $ par unité. Notre devis de moulage par injection était inférieur à 60 $. Une décision évidente, non ?
Sauf que le support en aluminium avait une surface d'étanchéité usinée avec une exigence de finition de 0,4 Ra. Atteindre cette qualité de surface directement à partir du moule nécessite des modifications d'outillage qui ont ajouté 35 000 $ au coût de l'outil. Ou nous pourrions le mouler puis usiner la surface d'étanchéité-, ce qui ajoutait de la manipulation, des opérations secondaires et ramenait le coût unitaire jusqu'à 85 $.
Encore un bon projet. Des économies encore importantes. Mais l’écart entre le chiffre global et le chiffre réel est important lorsque la finance calcule le retour sur investissement. Les projets sont tués à cause de cet écart. Les bons projets, les projets qui devraient se réaliser, meurent parce que quelqu'un a d'abord présenté un cas optimiste et a ensuite dû y revenir.
Ce que nécessite réellement le traitement PEEK
Les fiches techniques des matériaux de Victrex et Solvay publient des paramètres de traitement qui conviennent parfaitement aux applications industrielles. Ces paramètres produiront des pièces aérospatiales qui réussiront l’inspection dimensionnelle et échoueront en service.
La température du moule en est un exemple évident. Le minimum publié est d'environ160 degrés. Les pièces moulées à cette température semblent correctes, mesurent correctement et ont peut-être une cristallinité de 25 %. Pièces moulées à190-200 degrésatteint 35 %+ de cristallinité. La différence de durée de vie en fatigue n'est pas incrémentielle-elle est multiplicative.
Le problème est que courir200 degrésLa température des moules nécessite des systèmes de chauffage au mazout, des conceptions de moules avec une masse thermique appropriée et des contrôles de processus dont la plupart des installations ne disposent pas. Un magasin contrôlant la température de l'eau chaude fait le tour95 degrés. Ils peuvent encore mouler le PEEK. Les pièces seront toujours expédiées. Les pièces finissent toujours par échouer, d'une manière dont il est très difficile de retracer les conditions de traitement.
Les qualités remplies de carbone-ajoutent une autre couche. Le chauffage par cisaillement de la charge en fibre de carbone modifie le profil thermique à travers le canon. Les géométries de vis standard qui fonctionnent bien pour les matériaux chargés de verre-créent des points chauds avec un remplissage de carbone. Le matériau se dégrade localement avant même d’atteindre le moule. Vous ne pouvez pas le voir. Vous ne pouvez pas le mesurer lors de l’inspection à l’arrivée. Vous découvrez quand les pièces commencent à tomber en panne sur le terrain.
Aucune certification ne valide cette capacité spécifique. AS9100 couvre les systèmes qualité. NADCAP couvre les processus spéciaux. Ni l’un ni l’autre ne se demandent si une installation peut réellement accueillir200 degréstempérature du moule à l'intérieur±3 degréssur un outil multi-empreintes tout en exécutant du PEEK-rempli de carbone. Cette question n'obtient une réponse lors des audits de qualification des fournisseurs-que si l'auditeur sait la poser.
Le problème de la certification dont personne ne parle
L'enregistrement AS9100D signifie qu'une entreprise dispose de processus de gestion de la qualité documentés. Cela ne signifie pas qu'ils peuvent fabriquer vos pièces. Nous avons vu des installations certifiées AS9100-proposer des projets de polymères à haute température lorsque leurs équipements ne pouvaient physiquement pas atteindre les conditions de traitement requises.
Il ne s’agit pas nécessairement d’une fraude. De nombreuses installations croient sincèrement pouvoir traiter n'importe quel thermoplastique, car les machines sont conçues pour la plage de températures. Ils ne comprennent pas que les notes et la capacité durable sont des choses différentes, ou que des exigences de processus spécifiques au matériau -existent au-delà de ce qui est explicitement indiqué dans la fiche technique.
L'accréditation NADCAP offre plus de confiance car elle valide des processus de fabrication spécifiques plutôt que des systèmes généraux. Mais la portée de l’accréditation est importante. Une installation accréditée pour les processus de moulage par injection standard n'a peut-être jamais fait passer un polymère à haute température dans cette cellule accréditée. L'accréditation couvre le processus, et non tous les matériaux possibles qui pourraient théoriquement être traités.
Les questions d’audit qui comptent réellement n’ont rien à voir avec les certificats. Ils impliquent des paramètres de processus spécifiques pour les matériaux spécifiques de votre programme, des études documentées de capacité de processus et des données de rendement historiques sur des applications similaires. Si un fournisseur ne peut pas produire cette documentation, la certification n'est pas pertinente.
Sélection de matériaux au-delà de la fiche technique
Le PEEK domine les conversations sur les plastiques aérospatiaux, car il gère le plus large éventail de conditions : -température, produits chimiques, contraintes mécaniques et rayonnements. Cela coûte également environ 100 dollars par kilogramme, ce qui signifie que le coût des matériaux devient important pour tout volume raisonnable.
PPS
PPS gère bon nombre des mêmes applications à 25-30 $ le kilogramme. Les compromis sont des fenêtres de traitement plus étroites, une résistance aux chocs plus faible et une plus grande sensibilité aux effets d'orientation des fibres. Pour les composants qui seront principalement soumis à des charges statiques dans des environnements chimiquement agressifs, le PPS est souvent plus judicieux que le PEEK. Pour tout ce qui nécessite une charge dynamique ou un impact, la différence de coût n’a pas d’importance.
Ultem
L'Ultem apparaît dans les boîtiers électriques et électroniques en raison de ses propriétés diélectriques et de sa résistance inhérente aux flammes. Les températures de traitement sont inférieures à celles du PEEK, les exigences en matière d'équipement sont moins exigeantes et le coût des matériaux se situe quelque part entre les deux. Pour les applications où les performances électriques comptent plus que les performances mécaniques, Ultem évite les complications de coût et de traitement du PEEK sans compromettre la fonctionnalité.
La discussion sur la sélection des matériaux a généralement lieu trop tard dans le processus de développement. Au moment où les pièces atteignent le stade de l’offre, l’ingénierie a déjà spécifié un matériau basé sur les propriétés publiées sans tenir compte des implications en matière de fabrication. À ce stade, le changement de matériau nécessite une re-validation, des dessins mis à jour et potentiellement de nouveaux outils-, ce qui ajoute tous des coûts et des retards qui auraient pu être évités grâce à une implication antérieure du fournisseur.
Investissement dans l’outillage et économie des programmes
Les outils de moulage par injection pour les applications aérospatiales coûtent généralement entre 50 000 $ et 150 000 $ selon la complexité. Ce chiffre crée un choc pour les programmes qui ont toujours acheté des pièces usinées sans investissement en outillage.
Cette comparaison passe à côté de l’essentiel. Les pièces usinées supportent leur coût d'outillage dans chaque unité-le montage, la programmation, la configuration et la qualification de la machine. Ces coûts sont simplement intégrés dans le prix à la pièce plutôt que mentionnés séparément. Une pièce usinée de 400 $ peut inclure 80 $ de coûts d'installation et de programmation amortis que personne ne suit car il n'y a pas d'élément de ligne pour cela.
Plus important encore, l’investissement dans l’outillage crée un effet de levier. Une fois l’outil existant et qualifié, le coût supplémentaire des pièces supplémentaires se rapproche de celui des matières premières plus le temps de cycle. La production peut évoluer avec la demande. Les commandes urgentes deviennent possibles. Les modifications de conception qui nécessiteraient une reprogrammation complète-pour l'usinage deviennent des modifications d'outils qui maintiennent la validation du processus.
Les programmes pour lesquels le moulage par injection n'a pas de sens sont des applications à faible-volume et-mixte élevé, où l'outillage ne peut pas amortir efficacement et où la géométrie change fréquemment. En dessous d’environ 500 unités de durée de vie totale, l’usinage l’emporte généralement. Au-dessus de ce seuil, le calcul change en fonction de la complexité de la pièce, des exigences de tolérance et de la durée du programme.
Ce qu'implique réellement la qualification
L’inspection du premier article pour les pièces moulées par injection aérospatiale est plus complexe que ce à quoi la plupart des acheteurs s’attendent. Le FAI lui-même est une vérification dimensionnelle simple-par rapport au dessin, à la certification des matériaux et à la documentation des paramètres de processus. La validation du processus qui précède le FAI est le moment où les programmes réussissent ou échouent.
Surveillance de la pression dans la cavitésur les pièces de qualification établit la signature du processus à laquelle les cycles de production doivent correspondre. Ceci n'est pas facultatif pour les applications critiques. Les traces de pression dans la cavité montrent si la pièce est correctement remplie, correctement emballée et correctement refroidie à chaque tir. Les pièces qui mesurent correctement mais présentent des traces de pression anormales indiquent une instabilité du processus qui finira par produire des défauts.
Vérification de la cristallinitéest important pour le PEEK et d'autres matériaux semi-cristallins. L'analyse DSC sur des échantillons de qualification établit le niveau de cristallinité de base. Les pièces de production peuvent être vérifiées sur place-par rapport à cette référence. Lorsque le processus d'un fournisseur dérive-intentionnellement ou non-la cristallinité est souvent le premier indicateur que quelque chose a changé.
Capacité de processus statistiquenécessite des tailles d’échantillon calculées à partir du nombre de dimensions critiques et du niveau de confiance requis. Trente-deux échantillons pour une pièce présentant trois dimensions critiques à Cpk 1,33 ne suffisent pas. Le calcul n’est pas compliqué, mais il est souvent mal fait, ce qui donne lieu à des études de capabilité qui ne démontrent pas réellement la capabilité.
Lire les propositions et identifier les signaux d’alarme
Les devis vous en disent plus sur les capacités réelles d'un fournisseur que leurs présentations de capacités.
Les estimations de délais qui semblent identiques pour différentes complexités de pièces suggèrent que le fournisseur n'a pas réellement évalué vos besoins spécifiques. Un simple outil à une seule-empreinte en acier P20 a un délai de livraison différent de celui d'un outil à quatre-empreintes en H13 avec refroidissement conforme. Si le devis indique « 16 semaines » pour les deux, quelqu'un utilise un modèle au lieu de faire de l'ingénierie.
Les spécifications des matériaux écrites sous la forme « PEEK ou équivalent » sans indication de qualité indiquent qu'un fournisseur envisage d'acheter l'option la moins chère et techniquement admissible. Pour les applications structurelles, la différence entre le PEEK 450G et le 150G n’est pas anodine. Si le devis ne demande pas quelle qualité, le fournisseur ne comprend pas l'application.
Quantités du premier article en nombres ronds -exactement 50, exactement 100 - suggèrent que la taille de l'échantillon n'a pas été calculée en fonction de vos exigences de tolérance spécifiques. La taille des échantillons de validation de la capacité du processus dépend du nombre de caractéristiques critiques et du niveau de confiance requis. Le calcul produit rarement des nombres ronds.
Le prix à la pièce qui diminue considérablement à des volumes que le programme n'atteindra jamais indique que le fournisseur achète l'entreprise avec un numéro global attrayant. Si votre volume annuel est de 2 000 pièces et que le devis indique un prix intéressant de 10 000 pièces, ce prix n'a pas d'importance. Regardez le numéro qui correspond à vos besoins réels.
Réalités du calendrier de développement
Les nouveaux programmes de moulage par injection pour l'aérospatiale nécessitent 20 à 30 semaines entre l'engagement initial et les pièces qualifiées dans des circonstances normales. Ce calendrier comprend l'analyse DFM, la conception des outils, la construction des outils, le développement des processus, l'inspection du premier article et la documentation de qualification.
Les tentatives pour compresser cette chronologie échouent généralement. La création d'outils peut être accélérée en y investissant de l'argent -des heures supplémentaires, des matériaux haut de gamme et une capacité dédiée. Le développement de processus ne peut pas être compressé, car la physique détermine la durée réelle des essais de matériaux, des études de processus et des opérations de qualification. L'acier refroidit au rythme où il refroidit. Le polymère cristallise à la vitesse à laquelle il cristallise.
Les programmes qui démarrent avec des délais serrés se terminent généralement plus tard que les programmes qui ont démarré avec des délais réalistes. Le calendrier agressif crée une pression pour sauter des étapes de développement de processus qui doivent ensuite être répétées lorsque des problèmes surviennent dans la production. Un outil expédié deux semaines plus tôt mais produisant des pièces avec un taux de rebut de 15 % n'est en réalité pas en avance sur le calendrier.
Les délais d’urgence pour les outillages qualifiés existants sont différents. Le déplacement d'outils qualifiés entre les installations ou le redémarrage de la production après une pause peuvent se produire en quelques semaines plutôt qu'en quelques mois, car le développement du processus a déjà eu lieu. Les nouveaux programmes n'ont pas cette option.
Quand le moulage par injection n’est pas la solution
Certaines applications aérospatiales ne doivent pas être moulées par injection, quel que soit le volume économique.
Les composants présentant des augmentations de contraintes concentrées dans des orientations imprévisibles fonctionnent de manière incohérente dans les thermoplastiques renforcés de fibres. L'orientation des fibres suit des schémas d'écoulement qui dépendent de l'emplacement de la porte, de la géométrie de la pièce et de la vitesse de remplissage. La pièce est solide là où les fibres s'alignent avec la contrainte et faible là où elles ne s'alignent pas. La prévision et le contrôle de l'orientation des fibres nécessitent des capacités de simulation et des contrôles de traitement qui augmentent les coûts et la complexité.
Les surfaces d'étanchéité qui nécessitent des finitions au-delà de ce que le moulage peut réaliser directement nécessitent un usinage secondaire. Cet usinage libère les contraintes résiduelles du processus de moulage et peut provoquer un décalage dimensionnel sur les caractéristiques correctement mesurées avant l'usinage. La combinaison du moulage et de l'usinage ajoute un empilement de tolérances-que l'usinage pur ou le moulage pur évite.
Les pièces nécessitant un assemblage post-après moulage avec des ajustements serrés ou des inserts-pressés nécessitent une stabilité dimensionnelle dans le temps que certains polymères ne peuvent pas fournir. Le fluage et la relaxation des contraintes dans les thermoplastiques provoquent un desserrage des ajustements serrés au fil des mois ou des années. Les conceptions qui fonctionnent parfaitement en aluminium peuvent nécessiter des changements fondamentaux pour fonctionner en plastique.
Des tolérances géométriques très strictes sur les grandes pièces entraînent des différences de dilatation thermique entre le plastique et l'équipement de mesure. Une pièce en plastique de 300 mm mesurée à 20 degrés sera sensiblement différente à 35 degrés. La définition des conditions de mesure devient partie intégrante des spécifications dimensionnelles, et toutes les installations d'inspection ne peuvent pas maintenir les contrôles environnementaux requis.
Démarrer la conversation
S'il y a un projet de moulage par injection de plastique pour l'aérospatiale sur votre bureau -nouveau développement, problèmes de fournisseurs existants, évaluation de la conversion des métaux-la voie à suivre dépend de l'endroit où vous en êtes dans le processus.
La sélection des matériaux-à un stade précoce bénéficie de la contribution des fournisseurs avant que l'ingénierie ne finalise les spécifications. Les implications du choix des matériaux en matière de fabrication affectent l’économie du projet d’une manière que les comparaisons de fiches techniques ne permettent pas de saisir. Engager les fournisseurs potentiels pendant la sélection des matériaux plutôt qu'après évite les décisions de spécification qui créent des problèmes en aval.
Les programmes avec des conceptions existantes nécessitent une évaluation de la fabricabilité avant d'être proposés. L'analyse DFM identifie les problèmes qui autrement surgiraient lors du débogage de l'outil ou de la rampe de production. Le coût de l’analyse est insignifiant comparé au coût des modifications d’outils ou des problèmes de qualité de production.
Les situations de fournisseurs actuels qui ne fonctionnent pas nécessitent une évaluation honnête pour déterminer si le problème peut être résolu avec le fournisseur actuel ou nécessite la qualification d'une source alternative. Parfois, la réponse réside dans l’amélioration des processus chez le fournisseur existant. Parfois, la réponse est de recommencer avec quelqu’un qui possède les capacités adéquates.
Nous gérons toutes ces situations, mais elles ne correspondent pas toutes à ce que nous faisons bien. La conversation initiale détermine s’il y a une correspondance. Si tel est le cas, nous passons à une cotation formelle. Si ce n’est pas le cas, nous le disons.
La base d'approvisionnement en moulage par injection de plastique pour l'aérospatiale va des mouleurs de base souhaitant se développer dans l'aérospatiale aux installations spécialisées qui se concentrent exclusivement sur le traitement des polymères à haute performance-. Les certifications ne font pas de distinction fiable entre eux. Le prix ne permet pas de les distinguer de manière fiable. Les capacités ne se révèlent que par une évaluation technique détaillée ou, malheureusement, par des problèmes de production.
Les questions de cet article fournissent un cadre pour cette évaluation. Les réponses déterminent si un fournisseur possède réellement ce dont votre programme a besoin-ou si sa proposition représente une capacité qu'il n'a pas encore développée.