Guide des procédés de fabrication avec des plastiques

Les imprimantes 3D professionnelles fabriquent des pièces tridimensionnelles directement à partir de modèles CAO, en déposant le matériau couche par couche jusqu'à fabrication complète de la pièce.

1. Configuration de l'impression : Un logiciel de préparation d'impression est utilisé pour orienter et disposer les modèles à l'intérieur d'un volume d'impression, ajouter des structures de support si nécessaire, et découper en couches le modèle avec ses supports.
2. Impression : L'impression dépend du type de technique d'impression 3D utilisé : le dépôt de fil fondu (FDM) fait fondre un filament de plastique, la stéréolithographie (SLA) polymérise une résine liquide, et le frittage sélectif par laser (SLS) fait fondre un plastique en poudre.
3. Post-traitement : À la fin de l'impression, les pièces sont retirées de l'imprimante, nettoyées ou lavées, post-polymérisées (selon la technologie) et, enfin, les structures de support sont enlevées le cas échéant.

Comme les imprimantes 3D ne requièrent aucun outillage et sont configurées très rapidement pour imprimer un nouveau modèle, le coût de production d'une pièce sur mesure est négligeable comparé à celui des procédés traditionnels.

Les procédés d'impression 3D sont généralement plus lents et nécessitent plus de main d'œuvre que des procédés industriels utilisés en production de masse.

Les procédés d'impression 3D s'améliorant, le coût par pièce continue à diminuer et de nombreuses applications à volume de production faible à moyen sont alors envisageables.

Alors que la plupart des procédés de fabrication avec des plastiques requièrent des machines industrielles coûteuses, des locaux dédiés et des opérateurs qualifiés, l'impression 3D permet aux entreprises de fabriquer facilement en interne des pièces et des prototypes rapides en plastique.

Les systèmes compacts d'impression 3D d'atelier ou sur table de fabrication de pièces en plastique sont abordables et demandent peu de place et pas de compétences particulières. Cela permet à des professionnels, ingénieurs, concepteurs et fabricants d'augmenter le nombre d'itérations et d'accélérer les cycles de production, passant de quelques jours ou semaines à quelques heures.

Il existe sur le marché de nombreux types d'imprimantes et de procédés d'impression 3D, et les matériaux utilisés varient en fonction du procédé.

L'usinage CNC recouvre le fraisage, le tournage et d'autres procédés de fabrication soustractive commandés par ordinateur. Ces procédés s'appliquent à des blocs, de barres ou des tiges solides, de métal ou de plastique, auxquels on enlève de la matière pour les mettre en forme, par découpe, alésage, forage et ponçage.

Contrairement à la plupart des procédés de fabrication, l'usinage CNC est soustractif. De la matière est enlevée à la pièce soit par un outil tournant, la pièce restant fixe (fraisage), soit en faisant tourner la pièce, l'outil restant fixe (tournage).

1. Configuration de la tâche : Les machines CNC requièrent une étape intermédiaire consistant à créer et valider la trajectoire de l'outil (CAO à FAO). Les trajectoires d'outil commandent le trajet de l'outil, les vitesses de déplacement et d'éventuels changements d'outils.
2. Usinage : Les trajectoires d'outil sont envoyées à la machine, qui commence le procédé soustractif. En fonction de la forme souhaitée du produit fini, la position de la pièce peut être modifiée de façon à ce que l'outil atteigne d'autres zones.
3. Post-traitement : À la fin de l'usinage, la pièce est nettoyée, ébavurée et découpée.

L'usinage est idéal pour de petites séries de pièces en plastique requérant des tolérances serrées et présentant des formes difficiles à mouler. Les applications usuelles en sont, entre autres, le prototypage et la fabrication de pièces finies, comme des poulies, des engrenages et des roulements.

L'usinage CNC présente des coûts faibles à modérés et permet de produire des composants en plastique avec temps de production rapides à partir de nombreux matériaux.

L'usinage est soumis à plus de contraintes de géométrie des pièces que l'impression 3D. Le coût par pièce usinée augmente avec la complexité de la pièce. Des contre-dépouilles, des passages et des motifs particuliers sur plusieurs faces de la pièce contribuent à cette augmentation.

Les procédés d'usinage nécessitent des marges de tolérances pour l'accès des outils, et certaines géométries de la pièce, comme des canaux internes incurvés, sont difficiles voire impossibles à obtenir avec les méthodes soustractives conventionnelles.

La plupart des plastiques sont usinables, plus ou moins facilement. Des plastiques thermodurcissables plus souples requièrent des outils spéciaux pour tenir les pièces pendant l'usinage. Certains plastiques avec additifs peuvent être abrasifs et user plus rapidement l'outil.

Les plastiques suivants sont habituellement usinables :

• Acrylique (PMMA)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Nylon polyamide (PA)
• Acide polylactique (PLA)
• Polycarbonate (PC)
• Polyétheréthercétone (PEEK)
• Polyéthylène (PE)
• Polypropylène (PP)
• Polychlorure de vinyle (PVC)
• Polycarbonate (PC)
• Polystyrène (PS)
• Polyoxyméthylène (POM)

Avec ce procédé, un moule est rempli d'une résine liquide ou de caoutchouc, qui réagissent chimiquement et se solidifient. Les polymères les plus utilisés dans ce procédé sont notamment le polyuréthane, l'époxy, la silicone et l'acrylique.

1. Préparation de moule : Le moule est enduit d'un produit qui facilite le démoulage. Il est souvent chauffé préalablement à une température qui dépend du matériau.
2. Moulage : La résine synthétique est mélangée à un agent de polymérisation, puis versée ou injectée pour remplir la cavité du moule.
3. Polymérisation : La résine polymérise dans le moule jusqu'à solidification (chauffer le moule peut accélérer le processus de polymérisation pour certain polymères).
4. Démoulage : Le moule est ouvert et la pièce durcie est retirée.
5. Découpe : Des artefacts formés au cours de la coulée, tels que des bavures, des carottes et des joints, sont éliminés par découpe ou ponçage.

Les moules flexibles en caoutchouc de latex ou de silicone RTV (vulcanisé à température ambiante) sont bien moins coûteux que des moules durs plus élaborés, mais ils ne peuvent être utilisés que pour un nombre limité de coulées (25 à 100, approximativement), en raison de la détérioration de leur surface par réaction chimique avec les uréthanes, les résines époxy, les polyesters et les acryliques.

Les moules en silicone RTV permettent d'obtenir des pièces moulées de grande qualité, à haut niveau de détail. L'impression 3D stéréolithographique est couramment utilisée pour fabriquer directement des masters de moules à partir de modèles CAO, parce qu'elle présente une haute précision et permet également d'obtenir des pièces présentant des détails très fins.

Ce procédé est relativement peu coûteux et nécessite peu d'investissement initial. Mais les polymères thermodurcissables utilisables sont généralement plus coûteux que leurs équivalents thermoplastiques, et la main d'œuvre requise pour le traitement des pièces est plus importante. Il faut traiter chaque pièce à la main après fabrication, ce qui accroit le coût par pièce lorsqu'on le compare à des méthodes de production automatisées comme le moulage par injection.

Le moulage des polymères est habituellement utilisé pour le prototypage, la production de petites séries et certaines applications dentaires ou de joaillerie.

• Polyuréthane
• Époxy
• Polyéther
• Polyesters
• Acrylique
• Silicone

Le moulage par rotation (aussi appelé rotomoulage) est un procédé dans lequel un moule creux est chauffé et rempli de thermoplastique en poudre, puis mis en rotation selon deux axes. Il est surtout utilisé pour produire de grandes pièces creuses. Il existe également des procédés de rotomoulage avec des plastiques thermodurcissables, mais ils sont moins courants.

1. Charge : La cavité du moule est chargée en poudre de plastique. Les autres parties du moule sont installées pour le fermer afin de le chauffer.
2. Chauffage : Le moule est chauffé jusqu'à ce que la poudre de plastique fonde et adhère à ses parois, pendant qu'il est mis en rotation selon deux axes perpendiculaires pour assurer l'uniformité du dépôt de plastique.
3. Refroidissement : Le moule est refroidi lentement, toujours en mouvement, pour assurer que la peau de la pièce ne s'affaisse ni ne tombe avant sa solidification complète.
4. Retrait des pièces : La pièce est retirée du moule et toute bavure en est éliminée.

Le moulage par rotation nécessite un outillage moins coûteux que les autres procédés de moulage parce qu'il utilise la force centrifuge plutôt que la pression pour remplir le moule. Les moules peuvent être fabriqués, usinés par machine CNC, fondus ou moulés à partir d'époxy ou d'aluminium, à un coût inférieur et beaucoup plus rapidement que les outillages nécessaires aux autres procédés, particulièrement lorsqu'il s'agit de grandes pièces.

Le rotomoulage permet de fabriquer des pièces avec des parois d'épaisseur à peu près uniforme. Après mise en place de l'outillage et du processus, le coût par pièce est très bas par rapport à la taille de la pièce. Il est également possible de rajouter au moule des pièces finies, telles que des fils métalliques, des tuyaux internes et d'autres structures.

Ces facteurs font du moulage par rotation un procédé qui convient parfaitement à la production de petites séries, ou une alternative au moulage par soufflage pour de petits volumes. Parmi les produits habituellement moulés par rotation, on peut citer des citernes, des bouées, de grands conteneurs, des jouets, des casques et des coques de canoë.

Le moulage par rotation impose certaines contraintes à la conception et les produis finis présentent des tolérances plus faibles que d'autres procédés. Comme le moule doit être chauffé et refroidi en entier, le procédé présente aussi de longs temps de cycle et il nécessite une main d'œuvre assez importante, ce qui limite son efficacité pour des applications à volume élevé.

Le matériau le plus couramment utilisé en moulage par rotation est le polyéthylène (PE), dans 80 % des cas, surtout parce qu'il peut être facilement réduit en poudre à température ambiante.

Les plastiques les plus couramment utilisés en rotomoulage sont notamment :

• Polyéthylène (PE)
• Polypropylène
• Polychlorure de vinyle
• Nylon
• Polycarbonate

Le formage sous vide ou thermoformage est un procédé de fabrication dans lequel un plastique est chauffé et mis en forme, généralement à l'aide d'un moule. Les équipements de moulage sous vide varient en taille et complexité, allant d'appareils sur table peu coûteux à des machines industrielles automatisées. Le procédé-type de moulage sous vide industriel est décrit étape par étape ci-dessous.

1. Cadre : Une feuille de plastique est installée dans un cadre.
2. Chauffage : Le cadre avec la feuille sont placés à proximité d'éléments chauffants, pour ramollir le plastique et le rendre déformable.
3. Vide : Le cadre est abaissé et le plastique est étiré sur le moule pendant que le vide est fait entre le plastique et le moule par aspiration de l'air, ce qui forme la pièce.
4. Refroidissement et retrait : Une fois formée, la pièce doit refroidir avant de pouvoir être retirée. Des ventilateurs ou des vaporisateurs sont parfois utilisés pour réduire le temps de cycle.
5. Découpe : Une fois la pièce retirée du moule, le matériau en excès est éliminé à la main ou par usinage CNC.

Les coûts d'outillage pour le moulage sous vide sont bas comparés à ceux d'autres procédés, parce que les forces et pressions nécessaires sont faibles. Les moules sont faits en bois, en plâtre ou imprimés en 3D en résine, pour fabriquer de petites séries ou des pièces sur mesure. Pour des volumes de production plus importants, les fabricants utilisent des outils en métal plus durables.

En raison du grand choix de machines de thermoformage et de moulage sous vide et des possibilités d'automatisation des machines haut de gamme, le thermoformage convient à toutes les applications, de la production de pièces sur mesure et de prototypes à la production de masse. Cependant, le procédé est limité en conception et permet uniquement la fabrication de pièces à parois relativement minces et à formes géométriques simples.

Parmi les pièces les plus courantes fabriquées par moulage sous vide, on trouve des emballages, des bacs à douche, des panneaux de portes de voiture, des coques de bateau, ainsi que des dispositifs sur mesure comme des plaques occlusales dentaires.

La plupart des thermoplastiques sont utilisables en thermoformage, ce qui offre un large choix de matériaux.

Les plastiques les plus couramment utilisés en thermoformage sont notamment :

• Acrylique (PMMA)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Polytéréphtalate d'éthylène-glycol (PETG)
• Polystyrène (PS)
• Polycarbonate (PC)
• Polypropylène (PP)
• Polyéthylène (PE)
• Polychlorure de vinyle (PVC)

Le moulage par injection consiste à injecter un thermoplastique fondu dans un moule. C'est le procédé le plus utilisé pour la fabrication de masse de pièces en plastique.

1. Configuration du moule : Si la pièce comporte des inserts, ceux-ci sont ajoutés manuellement ou par un robot. Le moule est fermé par une presse hydraulique.
2. Extrusion plastique : De petits granulés de plastique sont fondus et extrudés par entrainement par vis sans fin dans un fourreau chauffant.
3. Moulage : Le plastique fondu est injecté dans le moule.
4. Refroidissement et retrait : La pièce refroidit dans le moule jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment solide pour être éjectée, mécaniquement ou avec de l'air comprimé.
5. Post-traitement : Les carottes et les canaux d'injection, ainsi que les éventuelles bavures sont éliminés de la pièce, souvent automatiquement à l'ouverture du moule.

Les moules pour l'injection sont extrêmement complexes et doivent respecter des tolérances serrées pour produire des pièces de grande qualité. En raison des fortes températures et pressions auxquelles ils sont soumis, ces moules doivent être usinés à partir de métaux tels que l'acier renforcé. Des moules en aluminium sont moins coûteux mais ils s'usent plus vite et sont donc utilisés pour la production de plus petites séries.

Le moulage par injection peut produire des pièces extrêmement complexes mais certaines formes géométriques vont augmenter significativement le coût. Les coûts d'outillage pourront rester à des niveaux raisonnables en suivant les instructions de conception en vue de la fabrication (design for manufacturing ou DFM). La fabrication de nouveaux moules d'injection peut prendre des mois et leur coût peut atteindre des nombres à cinq ou six chiffres.

Malgré des coûts initiaux élevés et des cadences lentes, le moulage par injection n'a pas de concurrent pour des applications à gros volume de production. Une fois que l'outillage est prêt et fonctionne, les temps de cycles sont de l'ordre de quelques secondes et des millions de pièces peuvent être produites pour un coût réduit par rapport à tous les autres procédés de fabrication.

Le moulage par injection convient à pratiquement tous les types de thermoplastiques. Un procédé similaire, appelé moulage par injection et réaction (RIM), est utilisé pour fabriquer des pièces avec des thermodurcissables.

Les plastiques les plus couramment utilisés en moulage par injection sont notamment :

• Acrylique (PMMA)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Polyamide (PA)
• Polytéréphtalate d'éthylène-glycol (PETG)
• Polystyrène (PS)
• Polycarbonate (PC)
• Polypropylène (PP)
• Polyéthylène (PE)
• Polychlorure de vinyle (PVC)

Le principe de fonctionnement du moulage par filage et de pousser un plastique à travers une filière. La forme de la filière correspond à la section de la pièce finie.

1. Extrusion plastique : Le plastique est fondu et extrudé par entrainement par vis sans fin dans un fourreau chauffant.
2. Moulage : Le plastique est forcé à travers une filière qui donne sa forme à la pièce.
3. Refroidissement : Le plastique extrudé est refroidi.
4. Coupe ou enroulage : La forme fabriquée en continu est embobinée ou découpée en morceaux.

L'équipement en machines pour le filage est relativement bas, comparé à celui des machines industrielles CNC ou de moulage par injection, parce qu'il est moins complexe et ne requiert pas un niveau de précision des machines aussi élevé. En raison de la simplicité de leurs formes, les dies sont également bien moins coûteuses que les moules nécessaires à l'injection.

Comme le moulage par injection, le filage est un procédé pratiquement continu, ce qui réduit beaucoup le prix des pièces produites.

Le filage se limite à la production de pièces de formes particulières, présentant des profils continus en T, I, L ou U, et des sections circulaires ou carrées. Il s'utilise généralement pour fabriquer des conduites, des flexibles, des pailles et des cadres de fenêtres.

Pratiquement tous les types de thermoplastiques et notamment :

• Acrylique (PMMA)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Polyamide (PA)
• Polytéréphtalate d'éthylène-glycol (PETG)
• Polystyrène (PS)
• Polycarbonate (PC)
• Polypropylène (PP)
• Polyéthylène (PE)
• Polychlorure de vinyle (PVC)

Le moulage par soufflage permet de fabriquer des pièces creuses en plastique, en gonflant un tube de plastique chauffé à l'intérieur d'un moule, jusqu'à ce qu'il lui donne la forme souhaitée.

1. Configuration du moule : De petits granulés de plastique sont fondus et mis en forme dans un tube creux, appelé paraison ou préforme (en fonction du type de moulage par soufflage).
2. Moulage : La paraison est fixée dans un moule et gonflée à l'air comprimé jusqu'à prendre la forme intérieure du moule.
3. Refroidissement et retrait : La pièce refroidit dans le moule jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment solide pour être éjectée.

Le moulage par soufflage fonctionne à des pressions bien moins élevées que le moulage par injection, ce qui contribue à faire baisser le coût d'outillage. Comme le moulage par injection ou le filage, le moulage par soufflage est un procédé continu qui peut être complètement automatisé, ce qui augmente le rythme de production et diminue les coûts des unités.

Le moulage par soufflage est le procédé le plus utilisé pour fabriquer des produits en plastique à grande échelle. Il est utilisé notamment pour la fabrication de bouteilles, de jouets, de composants automobile, de pièces industrielles et d'emballages.

Le moulage par soufflage s'applique à de nombreux thermoplastiques, les plus courants étant :

• Polytéréphtalate d'éthylène (PET)
• Polypropylène (PP)
• Polychlorure de vinyle (PVC)
• Polystyrène (PS)
• Polycarbonate (PC)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)