J'ai travaillé dans la conception et la fabrication de produits pendant environ 11 ans, j'ai beaucoup travaillé avec des sociétés d'électronique grand public et certains équipementiers automobiles, et le moulage par injection n'est que le moyen par défaut de fabriquer des pièces en plastique dans n'importe quel type de volume. Il existe d'autres processus comme l'impression 3D ou l'usinage CNC du plastique, mais une fois que vous avez besoin de plus de 500 à 1 000 unités, le moulage par injection devient la seule chose qui a un sens économique pour la plupart des applications.
Pourquoi le moulage par injection a tout pris en charge
Le processus en lui-même est assez simple : -faire fondre des granulés de plastique, les injecter sous haute pression dans un moule, les laisser refroidir, puis éjecter la pièce. Répéter. Les machines modernes peuvent effectuer ce cycle en 15 à 30 secondes pour les petites pièces, et peut-être en 60 à 90 secondes pour les plus grosses pièces. J'ai observé une machine de moulage par injection haïtienne Mars dans une usine de Shenzhen pomper des coques de smartphone à environ 40 secondes par cycle, et c'était pour une pièce assez complexe avec de multiples fonctionnalités internes. Le coût de l'outillage était d'environ 12 000 $ US (le directeur de l'usine me l'a dit en 2018, les prix ont définitivement augmenté depuis).
Ce qui le rend si dominant, c'est la combinaison de vitesse, de répétabilité et d'options de matériaux. Une fois le moule fabriqué, chaque pièce coûte quelques centimes en matériel et en temps machine. Une pièce ABS de 50 grammes peut utiliser 0,15 $ de matériau, et si le temps de cycle est de 30 secondes, cela représente 120 pièces par heure. Même en tenant compte des coûts de temps machine et de main d'œuvre, vous envisagez peut-être 0,30 à 0,50 $ par pièce sur une production de 10 000+ unités.
Comparez cela à l'usinage CNC où vous payez pour l'usure des outils, des temps de cycle plus longs, du gaspillage de matériaux et du temps d'opérateur qualifié. J'ai évalué le prix d'une conception de boîtier simple une fois que le-moulage par injection est arrivé à 0,82 $/pièce pour 5 000 unités, outillage amorti compris. L'usinage CNC de la même pièce était coté à 6,40 $/pièce. Même pas proche.
Les appareils médicaux sont devenus bizarres à ce sujet
Les pièces médicales moulées par injection constituent un tout autre monde en raison des réglementations de la FDA et des exigences de stérilisation. Les matériaux doivent être biocompatibles, ce qui limite considérablement vos options. La plupart des fabricants de produits médicaux utilisent des matériaux comme le polycarbonate, le polypropylène ou des qualités spécialisées de polyéthylène. Le PEEK est populaire pour les instruments chirurgicaux car il peut supporter des autoclavages répétés sans se dégrader, mais les outils PEEK sont chers car les températures de traitement sont très élevées (environ 370 à 400 degrés selon les spécifications de la fiche technique Victrex, victrex.com).
Il y a quelques années, j'ai travaillé sur un projet de dispositif médical jetable, juste un simple plateau moulé par injection pour les procédures dentaires. La validation des matériaux à elle seule a pris 4 mois car nous devions prouver des tests de biocompatibilité selon les normes ISO 10993. La conception proprement dite de la pièce a été réalisée en 3 semaines. La documentation réglementaire a duré encore 6 semaines. C'est pourquoi les pièces médicales moulées par injection coûtent 3 à 5 fois plus cher que les pièces grand public équivalentes, même lorsqu'elles sont de conception plus simple.
La compatibilité de la stérilisation est bien plus importante que ce que la plupart des ingénieurs pensent. La stérilisation par rayonnement gamma peut faire jaunir ou fragiliser certains plastiques. La stérilisation à l'EtO (oxyde d'éthylène) est plus douce mais présente des problèmes d'absorption avec certains matériaux. La stérilisation en autoclave nécessite des matériaux stables à 121-134 degrés avec exposition à la vapeur. Votre choix de matériau est dicté par la manière dont le client envisage de stériliser le produit, et pas seulement par les exigences mécaniques.
Des pièces automobiles que personne ne voit
Les composants automobiles sous-sous le capot sont agressifs envers les matières plastiques. Vous avez des cycles de température de -40 degrés à 120 degrés +, une exposition aux huiles et aux carburants, des vibrations et des exigences de longue durée de vie (15+ ans généralement). C'est pourquoi le moulage par injection automobile utilise beaucoup de nylons chargés de verre-et de matériaux spéciaux à haute température.
Autrefois, les collecteurs d'admission étaient en fonte d'aluminium, mais ils sont désormais principalement constitués de nylon chargé de verre-moulé par injection. BMW a commencé à le faire à la fin des années 1990, je pense, et tout le monde a suivi. Les économies de poids sont significatives -un collecteur d'admission en plastique peut être 40 à 50 % plus léger que son équivalent en aluminium. Selon une analyse d'un document de conférence de la Society of Plastics Engineers (spe.org, conférence de la division automobile 2015), le passage aux collecteurs d'admission en plastique a réduit le poids du véhicule de 3 à 4 kg en moyenne par véhicule, ce qui se traduit par une amélioration d'environ 0,1 à 0,15 mpg de l'économie de carburant. Cela ne semble pas grand-chose, mais multipliez cela sur des millions de véhicules.
Les connecteurs et les boîtiers de capteurs constituent une autre catégorie très importante. Chaque capteur d'une voiture moderne -température, pression, position, vitesse, peu importe-a un boîtier moulé par injection. Ceux-ci doivent être étanches à l’eau et à la poussière (généralement un indice IP67 minimum), supporter les vibrations et maintenir une stabilité dimensionnelle sur toute la plage de température. Les tolérances peuvent également être serrées, comme ±0,05 mm pour les caractéristiques d'accouplement des connecteurs électriques.
J'ai vu des moules de connecteurs automobiles coûtant entre 80 000 -120 000 $, car ce sont des moules familiaux fabriquant plusieurs pièces, avec des actions latérales pour les contre-dépouilles et une construction en acier trempé pour plus d'un million de cycles de vie de pièces requis. Le coût par pièce finit par être inférieur à 0,20 $ lorsque vous utilisez ce type de volume.
L’électronique grand public est là où se trouve l’argent
Boîtiers pour smartphones, étuis pour ordinateurs portables, cadres pour tablettes-tous moulés par injection. Les exigences en matière de finition de surface sont insensées par rapport à d’autres industries. Vous avez besoin de finitions de surface de moule A1 ou A2 (normes SPI), ce qui implique un polissage approfondi de la cavité du moule. Un bon polisseur de moules peut prendre des semaines pour polir à la main-une grande cavité jusqu'à obtenir une finition miroir.
Apple fait des choses connues en matière de moulage par injection que d'autres entreprises ont du mal à reproduire. Le MacBook monocoque en polycarbonate de 2009-2010 a été moulé par injection en une seule pièce, ce qui nécessitait une expertise massive en matière de fabrication de moules et un contrôle du processus. La plupart des fabricants diviseraient cela en plusieurs parties, car il est difficile d'obtenir une épaisseur de paroi uniforme et d'éviter les marques d'évier sur quelque chose d'aussi grand.
Le choix des matériaux dans l’électronique grand public a beaucoup changé au cours de la dernière décennie. L'ABS était autrefois la valeur par défaut pour tout, maintenant vous voyez beaucoup plus de polycarbonate, de mélanges PC/ABS et de matériaux PPO modifiés. Cela concerne en partie les exigences en matière de retardateur de flamme - la classification UL94 est importante pour tout ce qui contient des composants électroniques à l'intérieur. La plupart des éléments nécessitent au moins une note V-1, de nombreuses applications nécessitent V-0. Cela limite les matériaux et additifs que vous pouvez utiliser.
La correspondance des textures et des couleurs est un cauchemar dans l’électronique grand public. J'ai travaillé avec une entreprise qui fabriquait des périphériques (claviers, souris, ce genre de choses) et ils ont eu 23 révisions sur la texture d'un produit parce que le marketing changeait constamment d'avis sur ce que cela devrait donner. Chaque révision de texture impliquait le repolissage de la cavité du moule avec différentes électrodes EDM ou processus de gravure chimique. Le fabricant de moules facturait environ 2 000 $ par révision de texture.
La correspondance des couleurs entre différents plastiques est également plus difficile qu’elle ne devrait l’être. Si vous possédez un produit avec un capot supérieur en PC et un boîtier inférieur en ABS, il est difficile de leur donner exactement la même couleur une fois moulés, car différents matériaux prennent les colorants différemment. Vous vous retrouvez avec des mélanges maîtres de couleurs personnalisés et de nombreux essais de moulage pour les composer.
L’emballage est le géant caché
Personne ne pense aux emballages moulés par injection, mais ils sont énormes en termes de volume. Les capsules de bouteilles uniquement -il existe une statistique quelque part qui indique qu'environ 2 milliards de capsules de bouteilles en plastique sont fabriquées quotidiennement dans le monde (je ne trouve pas la source exacte pour le moment, mais c'était dans un article de Plastics News d'il y a quelques années). Chaque bouteille d'eau, bouteille de soda, pot à lait, bouteille de shampoing a un bouchon moulé par injection.
Contenants alimentaires, emballages cosmétiques, flacons de médicaments-tous moulés par injection. Les exigences sont différentes de celles des autres applications car vous avez besoin de matériaux-sûrs pour les aliments (encore une fois les réglementations de la FDA) et d'une bonne résistance chimique. Le polypropylène domine cet espace car il est bon marché,-sûr pour les aliments et chimiquement inerte. Le PEHD est également courant, en particulier pour les bouteilles et les conteneurs qui nécessitent une certaine flexibilité.
Le moulage à parois minces-pour contenants alimentaires est sa propre spécialité. Vous parlez d'épaisseurs de paroi de 0,5-0,8 mm, ce qui nécessite des vitesses d'injection élevées et des machines spécialisées avec un bon contrôle du tir. Les temps de cycle sont rapides, comme 4 à 8 secondes pour un pot de yaourt. J'ai visité un fabricant d'emballages en Italie qui utilisait des moules à 48 cavités pour petits contenants alimentaires, fabriquant des milliers de pièces par heure sur une seule machine.
Les coûts d'outillage pour les moules d'emballage sont intéressants car il s'agit souvent de moules familiaux (plusieurs tailles de cavités) ou de moules multi-empreintes avec un nombre de cavités insensé. Un moule pour bouchon de bouteille à 96-empreintes peut coûter 150 $,000+ mais lorsque vous fabriquez des dizaines de millions de pièces, le coût d'outillage par pièce devient négligeable.
Des applications industrielles et de construction qui durent éternellement
Boîtiers électriques, boîtes de jonction, boîtiers de commutateurs -des tonnes de pièces moulées par injection dans les bâtiments et les équipements industriels. Les exigences matérielles sont différentes ici car vous avez besoin d’une résistance aux UV (si à l’extérieur), d’un caractère ignifuge et d’une résistance aux chocs. L'ABS ne fonctionnera pas pour les applications extérieures car il se dégrade sous l'exposition aux UV. L'ASA est meilleur mais plus cher. Le polycarbonate fonctionne mais jaunit avec le temps. Il y a toujours des compromis.
Les pièces de gestion des câbles telles que les serre-câbles, les serre-câbles et les presse-étoupes sont pour la plupart moulés par injection. Le nylon est populaire pour cela en raison de sa ténacité et de sa résistance chimique. J'ai travaillé avec des serre-câbles M20 et M25 qui doivent maintenir l'étanchéité IP68 après avoir été installés et retirés plusieurs fois-les tolérances dimensionnelles sur les filetages et les surfaces d'étanchéité doivent être serrées (± 0,1 mm ou mieux sur les caractéristiques critiques).
Les raccords de tuyauterie et les composants de plomberie constituent également une catégorie importante. Les raccords en PVC et PP sont moulés par injection, bien que les éléments de grand diamètre soient souvent fabriqués par d'autres procédés. Les valeurs de pression sont importantes -un raccord évalué à 150 PSI a besoin de parois plus épaisses et de meilleures propriétés matérielles qu'un raccord évalué à 50 PSI. Les qualités de matériaux sont spécifiées selon les normes ASTM et les exigences en matière de tests sont énoncées dans des éléments tels que ASTM D2846 pour les raccords en PVC.
Jouets et produits récréatifs
Évidemment, les jouets sont pour la plupart en plastique moulé par injection. Les briques LEGO en sont l'exemple classique-fabriquées selon des tolérances incroyablement serrées (± 0,01 mm ou quelque chose de fou comme ça), afin qu'elles s'emboîtent parfaitement à chaque fois. LEGO utilise exclusivement l'ABS, je pense, et ils font du moulage par injection depuis les années 40 ou 50, ils maîtrisent donc complètement le processus.
Figurines d'action, poupées, véhicules jouets-tous moulés par injection, généralement à plusieurs-plans ou assemblage de plusieurs composants moulés. Le choix des matériaux pour les jouets est limité par les règles de sécurité. Aux États-Unis, il existe des exigences CPSIA, en Europe, il existe des normes de sécurité des jouets EN 71. Certains plastifiants et additifs sont interdits pour les produits pour enfants, ce qui exclut certaines options matérielles.
Les équipements sportifs comportent également de nombreuses pièces moulées. Coques de chaussures de ski, cadres de patins à roues alignées, composants de vélo, équipements de protection. Les exigences mécaniques peuvent être exigeantes-les chaussures de ski doivent être suffisamment rigides pour transmettre la force efficacement, mais pas si fragiles qu'elles se fissurent par temps froid. Cela signifie généralement des matériaux en polyuréthane ou en polyamide, et les épaisseurs de paroi deviennent lourdes (3 à 6 mm dans certaines zones).
Ce qui ne fonctionne pas bien avec le moulage par injection
Les très grandes pièces deviennent difficiles car vous avez besoin de machines massives et les coûts d’outillage explosent. Les revêtements de pare-chocs automobiles sont à la limite de ce qui est logique.-Ceux-ci nécessitent une force de serrage de 1000+ tonnes, des machines et des moules pesant plusieurs tonnes. L’investissement en capital pour cet équipement s’élève à des millions de dollars, donc seuls les grands fabricants peuvent le faire.
Les très petites pièces avec des tolérances serrées sont également difficiles à fabriquer. Les pièces médicales micro-moulées telles que les composants de cathéters ou les dispositifs microfluidiques repoussent les limites du possible. Vous avez affaire à des tailles de grille inférieures à 0,3 mm, à des dimensions de cavité mesurées en dixièmes de millimètres et à un contrôle de processus qui nécessite des systèmes de rétroaction actifs. Les taux de rejet peuvent être élevés même avec des moules parfaits, car de minuscules quantités de contamination ou de variations de processus posent des problèmes.
Les pièces avec des sections très épaisses ne se moulent pas bien en raison du temps de refroidissement et des traces d'évier. Tout ce qui dépasse peut-être 6 à 8 mm d'épaisseur de paroi commence à poser des problèmes. L'extérieur refroidit et se solidifie tandis que l'intérieur est encore en fusion, et à mesure que le centre refroidit, il rétrécit, tirant la surface extérieure vers l'intérieur et créant des marques d'évier ou des vides. Vous pouvez parfois compenser par une pression d'emballage et des temps de refroidissement plus longs, mais c'est toujours un combat. Mieux vaut redessiner la pièce avec des nervures ou des sections creuses si possible.
Les matériaux qui ne sont pas thermoplastiques ne fonctionnent pas du tout. Les thermodurcissables comme les résines époxy ou phénoliques nécessitent différents procédés (moulage par compression ou moulage par transfert). Les métaux ne peuvent évidemment pas être moulés par injection, bien que le moulage par injection de métal (MIM) existe en tant que processus connexe pour les métaux en poudre.
L'économie lorsque vous essayez de prendre une décision
Pour de faibles quantités (moins de 1 000 pièces), le moulage par injection n'a généralement pas de sens, sauf si vous avez besoin de propriétés de matériau ou de finitions de surface spécifiques que vous ne pouvez pas obtenir par d'autres moyens. Le coût de l'outillage domine le coût par-pièce à faibles volumes. Un simple prototype de moule peut coûter entre 3 000 et 5 000 $, mais vous répartissez ce coût sur un petit nombre de pièces.
Le point de croisement où le moulage par injection devient moins cher que les autres processus dépend de la complexité et de la taille des pièces, mais il se situe généralement entre 500 et 2 000 unités. En dessous, l’impression 3D ou l’usinage CNC ont tendance à être plus économiques. Au-delà, c’est le moulage par injection qui gagne.
Je dis généralement aux gens d'y penser de cette façon : si l'outillage coûte 10 000 $ et que les pièces coûtent 0,50 $ chacune à mouler, vous devez fabriquer 20 000 pièces avant que le coût par pièce- ne descende en dessous de 1,00 $ (10 000 $/20,000 + 0,50 $). Si vous n'avez besoin que de 1 000 pièces, votre-coût par pièce est en réalité de 10,50 $ (10 000 $/1,000 + 0,50 $). Cela change complètement le calcul.
Les volumes de production se chiffrant en millions sont les domaines où le moulage par injection brille vraiment. Le-coût par pièce peut chuter jusqu'à des niveaux ridicules-comme 0,10 $-0,20 $ pour des pièces simples. Le coût de l’outillage est amorti sur tellement de pièces que cela n’a pratiquement aucune importance. C’est pourquoi les produits de consommation jetables sont presque tous moulés par injection : rasoirs, stylos, bouteilles, récipients, etc. Les marges fonctionnent lorsque chaque pièce coûte quelques centimes à fabriquer.
Il y a bien plus d'applications que celles abordées ici (composants de meubles, pièces d'appareils électroménagers, lentilles optiques, pièces d'instruments de musique, probablement une centaine d'autres catégories), mais ce sont les principales industries avec lesquelles j'ai travaillé. La polyvalence du processus est ce qui le rend si dominant-vous pouvez fabriquer un composant de précision d'un gramme ou un panneau automobile de 5 kilogrammes avec fondamentalement la même technologie fondamentale, simplement à une échelle supérieure ou inférieure.
Il y a bien plus d'applications que celles abordées ici (composants de meubles, pièces d'appareils électroménagers, lentilles optiques, pièces d'instruments de musique, probablement une centaine d'autres catégories), mais ce sont les principales industries avec lesquelles j'ai travaillé. La polyvalence du processus est ce qui le rend si dominant-vous pouvez fabriquer un composant de précision d'un gramme ou un panneau automobile de 5 kilogrammes avec fondamentalement la même technologie fondamentale, simplement à une échelle supérieure ou inférieure.
Si vous vous lancez dans ce domaine, prenez le temps de comprendre comment concevoir correctement des pièces moulées par injection, car la stratégie de moulage par injection de la ligne de joint affecte tout en aval. J'ai vu trop d'ingénieurs commander des pièces moulées par injection sans tenir compte des spécifications esthétiques des pièces moulées par injection, puis se plaindre du coût des pièces moulées par injection lorsque des révisions sont nécessaires. Les défauts courants dans les pièces moulées par injection remontent généralement à des problèmes de conception-, comme le moulage par injection de pièces épaisses sans canaux de refroidissement appropriés, ou la tentative de moulage par injection de grandes pièces sans comprendre comment fonctionne le flux de matière dans des cavités plus grandes. L'expertise requise varie également considérablement : le moulage par injection de plastique de pièces automobiles nécessite des connaissances différentes de celles du moulage par injection de pièces d'aviation, et les processus spécialisés tels que les pièces de moulage par injection par réaction ou les pièces de moulage par injection de métal nécessitent des ensembles de compétences complètement différents. Même après-questions de traitement-le recuit des pièces en plastique moulées par injection peut réduire les contraintes résiduelles qui provoquent des problèmes de déformation des mois après la production. Que vous travailliez avec un basiquepièces de moule de moulage par injectionlors de la configuration ou de l'évaluation de pièces en plastique produites par une opération de moulage par injection, la compréhension des principes fondamentaux évite des erreurs coûteuses plus tard. La technologie ne va nulle part-les pièces moulées par injection et les pièces moulées par injection plastique continueront de dominer la fabrication, car rien d'autre n'évolue comme elle.