Quel est l'impact du processus de moulage par injection sur les performances du produit ?

Résumé : La part des matières plastiques dans notre vie quotidienne ne cesse de croître, et les exigences en matière de qualité augmentent également. Le moulage par injection, procédé de production majeur, nécessite des améliorations technologiques urgentes. De nombreux facteurs influent sur les produits moulés par injection, mais les conditions de mise en œuvre constituent un facteur déterminant. Cet article présente l’impact de chaque paramètre de procédé sur les performances du produit.
La conception traditionnelle des moules et le paramétrage des procédés reposent principalement sur l'expérience et le savoir-faire des concepteurs. La rationalité de la conception des moules ne peut être atteinte que par des essais et des corrections répétés, et le paramétrage des procédés ne peut être modifié que par des essais et des corrections répétés, ce qui manque de fondement scientifique. Le cycle de production est long, le coût élevé et la qualité difficile à garantir.
La simulation du processus de formage permet d'identifier les problèmes de conception avant la fabrication du moule. Ainsi, la conception du moule et le paramétrage du processus peuvent s'appuyer sur une analyse scientifique, ce qui raccourcit le cycle de production et améliore la qualité du produit. Face à la demande croissante de qualité, la prédiction du processus de formage est devenue une étape incontournable de la conception. Par conséquent, l'établissement d'un modèle mathématique de l'écoulement et du transfert de chaleur du métal en fusion dans la cavité du moule lors du moulage par injection, ainsi que l'utilisation de méthodes de simulation numérique pour simuler le processus de moulage, revêtent une grande importance.
Les paramètres du procédé de moulage déterminent directement l'état d'écoulement du matériau fondu dans la cavité du moule et ont donc un impact direct et important sur la qualité du produit. Par conséquent, la recherche des conditions optimales de moulage et la maîtrise du procédé constituent un moyen efficace d'améliorer la qualité des produits plastiques.
En effet, lors du moulage, la précision des machines, la conception optimale du moule et les excellentes performances du matériau ne peuvent s'exprimer pleinement que si les paramètres de moulage sont adaptés. Par ailleurs, des défauts liés aux machines, à la conception du moule ou aux performances du matériau peuvent parfois être compensés par des paramètres de moulage appropriés. On constate ainsi que le moulage par injection joue un rôle crucial dans la qualité des produits.

Conditions du processus de moulage par injection et leurs effets
1. Pression d'injection
La pression d'injection désigne la pression exercée par la tête de la vis ou du piston sur le plastique fondu lors de l'injection. Son rôle est de mélanger et de plastifier le matériau fondu. La vis (ou le piston) doit vaincre la résistance à l'écoulement des particules solides et du matériau fondu dans le cylindre et la buse. Elle permet au plastique fondu de remplir la cavité du moule à une vitesse donnée, puis assure le compactage une fois la cavité remplie.
Ce procédé confère une densité à la pièce plastique et compense le retrait dû au refroidissement du matériau fondu, préservant ainsi la forme précise de la pièce et garantissant les performances requises. La pression d'injection dépend principalement du type de plastique, du type de presse à injecter, de la température et de la structure du moule, ainsi que de l'épaisseur de la pièce. La taille et la structure du système de coulée ont également une incidence significative sur cette pression.
2. Maintien de la pression
Lorsque la matière fondue remplit la cavité du moule, la pression d'injection contribue à la compacter. On l'appelle alors pression de maintien. En production, cette pression doit être inférieure ou égale à la pression d'injection. Un maintien égal à la pression d'injection permet généralement de réduire le retrait de la pièce plastique et d'assurer sa stabilité et ses propriétés mécaniques.
Cependant, le démoulage s'accompagne souvent d'une augmentation des contraintes résiduelles, ce qui complique l'opération, fragilise les pièces plastiques, les rend sujettes à la déformation et aux rayures, et favorise l'apparition de bavures, altérant ainsi leur aspect. Par conséquent, le choix de la pression de maintien doit être effectué avec soin et en tenant compte de plusieurs facteurs.
De manière générale, l'impact de la pression de maintien sur la qualité des produits est similaire à celui de la pression d'injection. La pression de maintien de la plupart des plastiques se situe entre la pression d'injection et sa détermination dépend principalement des caractéristiques du matériau plastique et de la structure de la pièce. Elle permet de surmonter la résistance à l'écoulement du matériau fondu du cylindre vers la cavité du moule, d'y introduire le matériau fondu et de le compacter.
3. Pression de plastification
La pression de plastification correspond à la pression exercée sur la vis d'injection lorsque le matériau fondu recule. Son impact sur le moulage par injection se traduit principalement par l'efficacité et la capacité de plastification de la machine. De manière générale, l'augmentation de la pression de plastification entraîne une diminution de la vitesse de recul de la vis et, par conséquent, une augmentation de la pression sur le matériau fondu à l'intérieur du fourreau. L'effet de cisaillement est ainsi renforcé lors de la plastification, ce qui améliore l'efficacité de cette dernière.
Il convient toutefois de noter que, lors de l'augmentation de la contre-pression, une pression de plastification excessive peut réduire le taux de plastification en raison du reflux et des fuites de matière fondue au bord de la gorge de la vis, ce qui peut entraîner des mesures insuffisantes. Par ailleurs, elle peut provoquer une chaleur et des contraintes de cisaillement excessives, susceptibles d'entraîner une dégradation du matériau, la formation de bulles ou de brûlures, et affecter la qualité des pièces en plastique.

4. Température du moule
La température du moule correspond à la température de la surface de la cavité du moule pendant le processus de moulage. Elle influe sur l'écoulement du matériau fondu lors du remplissage du moule, la vitesse de refroidissement de la pièce et les performances de cette dernière. Le réglage de la température du moule dépend principalement de la viscosité du matériau fondu. Les matériaux à faible viscosité peuvent être injectés à basse température afin de réduire le temps de refroidissement et d'améliorer la productivité. Le moulage par injection à haute température est recommandé pour les matériaux à haute viscosité.
De manière générale, l'augmentation de la température du moule assure un refroidissement uniforme et régulier de la pièce, évitant ainsi la formation de défauts tels que des bosses et des fissures. Le contrôle de la température du moule pour les plastiques cristallins détermine directement la vitesse de refroidissement, et par conséquent la vitesse de cristallisation. À température de moule élevée, la vitesse de refroidissement diminue et la vitesse de cristallisation augmente, ce qui favorise la relaxation des molécules et réduit l'effet d'orientation moléculaire. Cependant, une température de moule trop élevée prolonge le cycle de moulage et fragilise le produit.
Une température de moule basse et une vitesse de refroidissement élevée entraînent un écoulement et une cristallisation synchrones du matériau fondu. Le temps de séjour réduit du matériau fondu dans la plage de température de cristallisation nuit à la croissance cristalline, ce qui diminue le degré de cristallisation moléculaire du produit et affecte ses performances. Par ailleurs, si la température du moule est trop basse, la résistance à l'écoulement du plastique fondu est élevée, le débit ralentit et le matériau peut même se solidifier pendant le remplissage du moule, entravant l'alimentation ultérieure. Il en résulte des pièces incomplètes et une orientation forcée, souvent à l'origine de défauts tels que des manques de matière, des creux et des soudures par fusion.
5. Température du fût
Afin de garantir un écoulement normal du plastique fondu sans risque de détérioration ni de décomposition, il est nécessaire de choisir une température de cylindre adaptée. Pour les plastiques à masse moléculaire moyenne élevée et à distribution de masse moléculaire concentrée, ainsi que pour les plastiques renforcés de fibres de verre, des températures de cylindre plus élevées sont recommandées. La température du cylindre est généralement réglée selon le principe « plus élevée à l'avant qu'à l'arrière », mais en cas de forte teneur en eau du plastique, la température à l'arrière peut également être augmentée.
6. Température de la buse
Afin d'éviter les étalements de matière fondue à la buse, il est généralement nécessaire de maintenir la température de cette dernière légèrement inférieure à la température maximale du cylindre. En production, lors d'une injection à faible vitesse dans l'air, une solution pulvérisée sans bulles et présentant une surface lisse est généralement considérée comme la norme pour une température adéquate.
7. Température de fusion
La température du métal en fusion dépend principalement de celle du fourreau et de la buse, ce qui influe sur la plastification du matériau et le moulage par injection. L'augmentation de la température d'injection améliore la fluidité du métal en fusion, un facteur déterminant pour de nombreuses caractéristiques du produit. Elle permet de réduire les propriétés mécaniques telles que les contraintes internes, la résistance aux chocs dans le sens de l'écoulement, la déformation et la résistance à la traction de la pièce, tout en améliorant la résistance aux chocs, la longueur d'écoulement, la rugosité de surface perpendiculaire au sens de l'écoulement et en réduisant le retrait après moulage.
Globalement, l'augmentation de la température de fusion améliore le remplissage et le transfert dans la cavité du moule, réduit les défauts d'orientation et optimise les performances globales du produit. Cependant, des températures excessivement élevées sont à éviter. Lorsque la température de fusion approche la limite supérieure de la plage de températures d'injection, il est facile de générer une grande quantité de gaz, provoquant bulles, vides, décoloration, brûlures, etc., sur les pièces plastiques. Par ailleurs, une fluidité excessive peut également entraîner des bavures, altérant l'aspect esthétique des produits. Enfin, une température trop élevée peut dégrader le plastique, réduire la résistance des pièces, leur faire perdre leur élasticité, et affecter leurs performances.

8. Temps d'injection
Le temps d'injection est un paramètre déterminant du débit d'injection. Plus le temps d'injection est court, plus le débit est élevé, et ce dernier influe considérablement sur les performances de la pièce plastique. Augmenter le débit d'injection permet d'accroître la pression de remplissage du moule, ce qui facilite le processus et réduit les pertes de chaleur. La température de la cavité du moule est ainsi relativement uniforme, et le produit obtenu est homogène et dense. Parallèlement, cela permet de réduire le retrait du produit, de limiter l'orientation du noyau plastique et d'améliorer la résistance de la liaison par fusion.
L'augmentation du débit d'injection est bénéfique pour les performances globales du produit, mais un débit d'injection excessif peut augmenter la perte de pression, réduire l'épaisseur de la couche de durcissement, améliorer l'orientation de surface de la pièce en plastique et même provoquer des turbulences élastiques dans la matière fondue, rendant la pièce en plastique sujette à la formation de bavures, de fissures de surface, etc.
Les résultats expérimentaux ont montré que des débits d'injection trop élevés ou trop faibles peuvent entraîner une diminution de la résistance aux chocs. À l'inverse, un débit d'injection trop faible provoque une diminution de la résistance de la jonction par fusion plastique, une augmentation de l'effet d'orientation global et une hausse des contraintes internes, ce qui affecte les propriétés mécaniques du produit.
9. Temps de maintien
La durée du maintien en température et du refroidissement influe directement sur la qualité des pièces plastiques. Un maintien en température trop court accélère la diminution de la pression dans le moule, ce qui peut entraîner un reflux et provoquer des défauts tels que des retassures et des creux, affectant ainsi la stabilité dimensionnelle des pièces.
Prolonger le temps de maintien permet d'améliorer la stabilité dimensionnelle des pièces plastiques et d'éviter les défauts mentionnés précédemment, ce qui garantit des produits denses. Cependant, cela augmente la pression dans la cavité du moule et modifie les contraintes internes dues aux variations de température. En revanche, le démoulage s'en trouve complexifié et il est parfois facile de provoquer des rayures ou des déformations superficielles sur les pièces.
La durée de plastification du matériau influe sur la qualité de la plastification et, par conséquent, sur les performances du produit. Une durée trop courte ne permet pas une plastification uniforme ni une température stable, ce qui peut entraîner la formation de blocs durs, de fils d'argent, etc. À l'inverse, une durée trop longue peut provoquer la décomposition ou la combustion du matériau fondu sous l'effet de la vis sans fin, ce qui nuit également à la qualité du produit.
10. Impact sur les procédés spéciaux
Le moulage par injection vibratoire, sous haute pression vibratoire, améliore significativement la résistance à la traction et la résistance aux chocs du produit, et ce, d'autant plus que la fréquence de vibration est élevée. L'ajout de la technologie ultrasonique peut également apporter un bénéfice.
Conclusion
Les conditions de mise en œuvre du moulage par injection influent sur l'aspect et les propriétés mécaniques des produits en plastique. Chaque paramètre de procédé est interdépendant et influe sur les autres. Les défauts de certains produits résultent de ces interactions.