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Processus de moulage par injection plastique
Créé le 01.04
Flux du processus de moulage par injection
Le processus de moulage par injection comprend principalement six étapes : fermeture du moule, remplissage, maintien de la pression, refroidissement, ouverture du moule et démoulage. Ces six étapes déterminent directement la qualité du moulage du produit et forment un processus complet et continu. Ce chapitre se concentre sur les étapes de remplissage, de maintien de la pression, de refroidissement et de démoulage.
Étape de remplissage
Le remplissage constitue la première étape de l'ensemble du cycle de moulage par injection, commençant au moment où le moule se ferme et se poursuivant jusqu'à ce que la cavité du moule soit remplie à environ 95 %. Théoriquement, un temps de remplissage plus court se traduit par une efficacité de moulage plus élevée ; cependant, en production réelle, le temps de moulage (ou vitesse d'injection) est soumis à de nombreuses contraintes.
Remplissage à haute vitesse. Lors du remplissage à haute vitesse, le taux de cisaillement est élevé, ce qui amène le plastique à présenter une viscosité réduite en raison de l'amincissement par cisaillement, réduisant ainsi la résistance globale à l'écoulement. Les effets localisés de chauffage visqueux contribuent également à une couche de solidification plus mince. Par conséquent, pendant la phase de contrôle du flux, le comportement de remplissage est souvent déterminé par le volume à remplir. C'est-à-dire que, dans cette phase, l'effet d'amincissement par cisaillement significatif du matériau fondu lors du remplissage à haute vitesse l'emporte généralement sur l'influence du refroidissement sur les sections à parois minces, permettant à l'effet de vitesse de prévaloir.
Remplissage à basse vitesse. Lors du remplissage à basse vitesse avec contrôle de la conduction thermique, les taux de cisaillement sont faibles, la viscosité locale est élevée et la résistance à l'écoulement est importante. Comme le taux de replenishment du plastique fondu est lent, l'écoulement progresse progressivement, rendant les effets de conduction thermique prononcés. La chaleur est rapidement dissipée par les parois froides du moule. Combiné à un chauffage visqueux minimal, la couche solidifiée plus épaisse augmente encore la résistance à l'écoulement dans les sections à paroi mince.
En raison de la dynamique d'écoulement de la fontaine, les chaînes polymères dans le plastique fondu s'alignent presque parallèlement au front d'écoulement. Par conséquent, lorsque deux flux de plastique fondu convergent, les chaînes polymères à leur interface deviennent mutuellement parallèles. Composé par les propriétés différentes des deux masses fondues (temps de résidence variable dans la cavité du moule, température et pression), cela entraîne une faiblesse microstructurale à la zone de convergence. Lorsque la pièce est positionnée à un angle approprié sous la lumière et observée à l'œil nu, une ligne de soudure distincte devient visible. Ceci représente le mécanisme de formation des lignes de soudure. Les lignes de soudure compromettent non seulement l'apparence des pièces en plastique, mais présentent également une microstructure lâche sujette à la concentration de contraintes. Par conséquent, la résistance de cette zone est réduite, entraînant une fracture potentielle.
De manière générale, les lignes de soudure formées dans les zones à haute température présentent une résistance supérieure. Ceci est dû au fait que les chaînes polymères présentent une plus grande mobilité à des températures élevées, ce qui leur permet de s'interpénétrer et de s'entrelacer. De plus, dans les régions à haute température, les températures des deux flux de matière fondue sont plus proches, ce qui entraîne des propriétés thermiques des masses fondues quasi identiques, améliorant ainsi la résistance de la zone soudée. Inversement, la résistance de soudure est plus faible dans les zones à basse température.
Phase de maintien de la pression
Le but de la phase de pression de maintien est d'appliquer continuellement une pression, de compacter le plastique fondu et d'augmenter la densité du plastique (densification) pour compenser le comportement de retrait du matériau. Pendant la pression de maintien, la cavité du moule étant déjà remplie de plastique, la contre-pression est relativement élevée. Tout au long du processus de compactage sous pression de maintien, la vis de la machine de moulage par injection ne peut avancer que lentement par petites étapes, et le débit du plastique est également relativement lent ; ce flux est appelé flux de pression de maintien. Pendant la phase de pression de maintien, le plastique refroidit et se solidifie rapidement contre les parois du moule, provoquant une augmentation rapide de la viscosité du plastique fondu. Par conséquent, une résistance importante s'accumule dans la cavité du moule. Vers la fin de la pression de maintien, la densité du matériau continue d'augmenter et la pièce prend progressivement forme. La phase de pression de maintien doit persister jusqu'à ce que le point d'injection se solidifie et se scelle. À ce stade, la pression dans la cavité pendant la phase de pression de maintien atteint sa valeur maximale.
Pendant la phase de maintien sous pression, le plastique présente une compressibilité partielle en raison de la pression relativement élevée. Dans les zones de pression plus élevée, le plastique devient plus dense avec une densité accrue ; inversement, dans les régions de pression plus faible, le plastique devient plus poreux avec une densité réduite. Par conséquent, la distribution de la densité varie à la fois avec la position et le temps. Tout au long de cette phase, la vitesse d'écoulement du plastique est extrêmement faible, rendant la dynamique d'écoulement non plus le facteur dominant ; la pression devient le déterminant principal influençant le processus de maintien. À ce stade, le plastique a rempli la cavité du moule. Le matériau en fusion qui se solidifie progressivement agit maintenant comme le milieu de transmission de la pression. La pression à l'intérieur de la cavité est transmise à travers le plastique aux surfaces de la paroi du moule, créant une tendance à dilater le moule. Par conséquent, une force de serrage adéquate est nécessaire pour sécuriser le moule. Dans des conditions normales, la force d'expansion du moule élargit légèrement le moule, facilitant l'évent. Cependant, une force d'expansion excessive peut provoquer des bavures, des débordements, voire une séparation du moule. Par conséquent, lors de la sélection d'une presse à injecter, il convient de choisir une machine avec une force de serrage suffisante pour éviter l'expansion du moule et assurer un maintien sous pression efficace.
Dans les nouvelles conditions environnementales de moulage par injection, nous devons considérer de nouveaux procédés de moulage par injection tels que le moulage assisté par gaz, le moulage assisté par eau et le moulage par injection de mousse.
Phase de refroidissement
Dans le moulage par injection, la conception du système de refroidissement revêt une importance capitale. En effet, la pièce en plastique moulée doit être refroidie et solidifiée jusqu'à une certaine rigidité avant d'être éjectée, afin d'éviter toute déformation sous l'effet de forces externes. Le temps de refroidissement représentant environ 70 % à 80 % du cycle de moulage complet, un système de refroidissement bien conçu peut réduire considérablement le temps de moulage, améliorer la productivité du moulage par injection et diminuer les coûts. Un système de refroidissement mal conçu prolonge le temps de moulage et augmente les coûts ; un refroidissement inégal exacerbe encore le gauchissement et la déformation du produit en plastique.
Les expériences indiquent que la chaleur entrant dans le moule depuis le matériau en fusion est dissipée de deux manières principales : environ 5 % est transférée à l'atmosphère par rayonnement et convection, tandis que les 95 % restants sont conduits du matériau en fusion au moule. À l'intérieur du moule, la chaleur du produit en plastique est transférée par conduction thermique de la cavité plastique à travers la base du moule vers les tuyaux d'eau de refroidissement, où elle est ensuite évacuée par le fluide de refroidissement par convection. Une petite partie de la chaleur non éliminée par l'eau de refroidissement continue de se conduire dans le moule, se dissipant finalement dans l'air ambiant au contact de l'environnement extérieur.
Le cycle de moulage par injection comprend le temps de serrage, le temps de remplissage, le temps de maintien de la pression, le temps de refroidissement et le temps d'éjection. Parmi ceux-ci, le temps de refroidissement représente la plus grande proportion, environ 70 % à 80 %. Par conséquent, le temps de refroidissement influence directement la durée du cycle de moulage du produit en plastique et le rendement de la production. Pendant la phase de démoulage, la température du produit en plastique doit être refroidie en dessous de sa température de déflexion thermique pour éviter la relaxation due aux contraintes résiduelles ou le gauchissement et la déformation résultant des forces externes de démoulage.
Les facteurs influençant la vitesse de refroidissement du produit comprennent :
Dans la conception des produits en plastique, l'épaisseur de paroi est une considération primordiale. Une plus grande épaisseur du produit nécessite des temps de refroidissement plus longs. Généralement, la durée de refroidissement est proportionnelle au carré de l'épaisseur du produit ou à la puissance 1,6 du diamètre maximal du canal d'alimentation. C'est-à-dire que doubler l'épaisseur du produit quadruple le temps de refroidissement.
Matériaux du moule et méthodes de refroidissement. Les matériaux utilisés pour le noyau, la cavité et la base du moule influencent considérablement les vitesses de refroidissement. Des coefficients de conductivité thermique plus élevés dans les matériaux du moule améliorent le transfert de chaleur loin du plastique par unité de temps, réduisant ainsi le temps de refroidissement.
Configuration des tuyaux d'eau de refroidissement. Plus les tuyaux d'eau de refroidissement sont proches de la cavité du moule, plus leur diamètre est grand et plus leur nombre est élevé, plus le refroidissement est efficace et plus le temps de refroidissement est court.
Débit du liquide de refroidissement. Plus le débit d'eau de refroidissement est élevé (atteindre un flux turbulent est généralement optimal), plus l'eau de refroidissement élimine efficacement la chaleur par convection thermique.
Propriétés du liquide de refroidissement. La viscosité et le coefficient de conductivité thermique du liquide de refroidissement influencent également l'efficacité du transfert de chaleur du moule. Une viscosité plus faible du liquide de refroidissement est corrélée à une conductivité thermique plus élevée, des températures plus basses et des performances de refroidissement supérieures.
Sélection du plastique. Cela fait référence à la capacité du plastique à conduire la chaleur des zones chaudes vers les zones froides. Un coefficient de conductivité thermique plus élevé indique une meilleure efficacité de transfert de chaleur. Alternativement, une capacité thermique massique plus faible signifie que la température du plastique fluctue plus facilement, facilitant la dissipation de la chaleur et permettant ainsi d'obtenir de meilleures performances thermiques avec un temps de refroidissement réduit.
Paramètres de réglage du procédé. Des températures de matière plus élevées, des températures de moule plus élevées et des températures d'éjection plus basses nécessitent tous des temps de refroidissement plus longs.
Principes de conception des systèmes de refroidissement :
Les canaux de refroidissement doivent être conçus pour assurer un refroidissement uniforme et rapide.
L'objectif de la conception d'un système de refroidissement est de maintenir un refroidissement approprié et efficace du moule. Les trous de refroidissement doivent utiliser des dimensions standard pour faciliter l'usinage et l'assemblage.
Lors de la conception d'un système de refroidissement, le concepteur du moule doit déterminer les paramètres de conception suivants en fonction de l'épaisseur de paroi et du volume de la pièce en plastique : la position et les dimensions des trous de refroidissement, la longueur des trous, le type de trous, l'agencement et la connexion des trous, ainsi que le débit et les propriétés de transfert de chaleur du fluide de refroidissement.
Démoulage
Le démoulage constitue la dernière étape d'un cycle de moulage par injection. Bien que le produit ait déjà refroidi et solidifié, le processus de démoulage a un impact significatif sur sa qualité. Des méthodes de démoulage inappropriées peuvent entraîner une répartition inégale des forces lors du retrait, causant potentiellement des déformations ou d'autres défauts. Il existe deux approches principales de démoulage : le démoulage par broches d'éjection et le démoulage par plaque d'éjection. Lors de la conception des moules, la méthode de démoulage appropriée doit être sélectionnée en fonction des caractéristiques structurelles du produit pour garantir la qualité.
Pour les moules utilisant des goupilles d'éjection, celles-ci doivent être positionnées aussi uniformément que possible, situées là où la résistance à l'éjection est la plus grande et où la pièce présente une résistance et une rigidité maximales. Cela évite la déformation ou les dommages au composant en plastique.
Les plaques d'éjecteur sont généralement utilisées pour les contenants à cavité profonde et parois minces, ainsi que pour les produits transparents où les marques de goupilles d'éjection sont inacceptables. Ce mécanisme délivre une force d'éjection substantielle mais uniforme, fonctionne en douceur et ne laisse aucune trace discernable.
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