B&J Specialty augmente sa cadence de production de 30 % grâce à un moule d'injection métallique à refroidissement conforme imprimé en 3D

De grandes variations de température dans un cycle de refroidissement de moulage par injection peuvent augmenter considérablement le risque de déformation des pièces. Lorsque les tests d'un conduit automobile moulé par injection conçu et fabriqué de manière conventionnelle ont donné lieu à des fluctuations de température de 132 ˚C tout au long du processus, B&J Specialty, Inc. a recommandé à son client des insertions de moules à refroidissement conforme pour un refroidissement plus homogène.

Pour y parvenir, les ingénieurs de B&J Specialty se sont appuyés sur le logiciel de CFAO Cimatron pour concevoir les moules et conformer les canaux de refroidissement internes parallèlement à la surface de la pièce. Pour réaliser avec précision ces canaux de refroidissement internes complexes et conformes, ils ont eu recours à la fabrication additive (MA) métallique sur une imprimante ProX DMP 300 pour la production.

La nouvelle insertion de moule à refroidissement conforme a permis de réduire la variation de température tout au long du refroidissement à 18 ˚C et de réduire le temps de cycle sur le moule d'une minute à 40 secondes, soit une amélioration globale de la productivité de 30 %.

Des lignes de refroidissement sous-optimales entraînent des variations de température élevées 

Les moules refroidis par conformation tirent parti de la technologie moderne pour résoudre un problème ancestral. De nombreuses pièces moulées par injection présentent des surfaces incurvées, mais les forets utilisés pour créer les canaux de refroidissement ne produisent que des lignes droites. Dans la plupart des cas, cela signifie qu'il est impossible de faire correspondre les lignes de refroidissement à la géométrie de la pièce. Les lignes de refroidissement droites produites de manière conventionnelle doivent dépasser les éléments les plus extérieurs de la pièce pour ne pas interférer avec la cavité, ce qui signifie que les éléments plus proches du centre de la pièce sont généralement éloignés de la ligne de refroidissement la plus proche. Il en résulte souvent des variations de température importantes sur le volume de la pièce au début du processus de refroidissement.

Le conduit automobile que B&J Specialty a redessiné pour un refroidissement plus efficace présente de multiples surfaces irrégulières et courbes. Dans la conception originale du moule, B&J a percé des lignes de refroidissement droites à travers un moyeu et un bloc de stator qui ont été utilisés pour ajuster la géométrie du moule afin de tenir compte du gauchissement. Comme c'est souvent le cas avec les formes irrégulières, plusieurs éléments clés du conduit ont été éloignés des lignes de refroidissement en raison de la limitation des canaux droits. Les variations de température qui en résultent ont généré diverses contraintes résiduelles qui ont eu tendance à plier la pièce lors de son refroidissement. Dans le passé, ce problème était résolu en prolongeant le cycle de refroidissement pour s'assurer que la pièce était entièrement solidifiée avant de la retirer du moule et en ajustant les insertions pour tenir compte de tout gauchissement restant. Le problème de cette approche était que l'allongement du cycle de refroidissement réduisait la productivité et augmentait le coût de fabrication de la pièce.

Actualiser le moule avec des canaux de refroidissement conformes

Selon Jarod Rauch, responsable des technologies de l'information et de l'impression 3D chez B&J Specialty, le conduit automobile semblait être un candidat idéal pour une conception modifiée du refroidissement conforme, qui permettrait d'améliorer la qualité de la pièce finale, de réduire les déchets et de raccourcir le cycle de refroidissement. B&J Specialty a proposé cette solution à son client, un fournisseur automobile, qui a accepté de tester la nouvelle méthodologie. Munis du fichier CAO de la géométrie originale, les ingénieurs de B&J se sont mis au travail en utilisant le logiciel de conception de moules Cimatron. « Cimatron est en quelque sorte un logiciel à guichet unique qui nous permet de disposer d'une fonctionnalité CAO complète pour la conception et qui nous donne la possibilité de passer directement à la préparation de la fabrication à partir du même package. »

M. Rauch explique que B&J Specialty a découvert Cimatron alors qu'il recherchait des imprimantes 3D métal pour des applications de refroidissement conforme. « Nous avons vu que 3D Systems propose une solution complète de bout en bout comprenant un logiciel de conception de moules, un logiciel de préparation de fabrication et des imprimantes 3D, ce qui m'a enthousiasmé », explique M. Rauch. « 3D Systems ne se concentre pas seulement sur la machine, mais aussi sur la manière dont les ingénieurs conçoivent l'additif. »

En utilisant Cimatron, les ingénieurs de B&J ont supprimé les lignes de refroidissement droites d'origine et les ont remplacées par des lignes conformes qui maintenaient une distance constante par rapport à la surface de la pièce. La production du moule final par impression 3D métal a permis aux ingénieurs de concevoir des canaux complexes avec des sections transversales et des surfaces d'interface améliorées. Ces caractéristiques permettent d'assurer un écoulement turbulent, ce qui augmente encore la quantité de chaleur transférée du moule au liquide de refroidissement pour contribuer à un refroidissement efficace. La possibilité de refroidir plus efficacement les pièces moulées permet également de garantir la qualité des pièces en réduisant l'apparition de défauts tels que la déformation et les retassures. Un chemin direct vers des pièces de meilleure qualité permet au fabricants d'outils et à l'opérateur du moule de gagner du temps et de l'argent en limitant le nombre de corrections, d'essais et d'échantillonnages nécessaires pour obtenir les résultats souhaités.

Définir les attentes grâce à une simulation précise

Les ingénieurs de B&J ont ensuite exporté le fichier du moule de Cimatron vers le logiciel de simulation de moulage par injection Moldex3D pour une simulation intégrée du refroidissement. « L'intégration entre Cimatron et Moldex3D permet de simuler facilement le cycle complet de moulage par injection, de cartographier les températures dans le moule et la pièce pour identifier les points chauds et froids, et de simuler l'effet de différents temps de refroidissement », explique M. Rauch. La simulation permet également de mettre en évidence les domaines dans lesquels une nouvelle conception peut améliorer la stratégie globale de refroidissement avant qu'ils n'investissent dans une pièce physique. Des simulations comparatives entre la conception originale du moule et la nouvelle conception avec des lignes de refroidissement conformes ont montré une amélioration spectaculaire de la distribution de la température pour la nouvelle pièce, réduisant la variation de température de 86 %.

Insertions de moules pour l'impression 3D avec lignes de refroidissement conformes

Les ingénieurs de B&J ont ensuite utilisé le logiciel de fabrication additive métallique  3DXpert pour préparer les conceptions d'insertions de moule pour la production. Ils ont importé les données des pièces, optimisé la géométrie, calculé le chemin de numérisation, organisé la plate-forme de fabrication et envoyé le travail à leur imprimante 3D métal ProX DMP 300 directement à partir du logiciel 3DXpert.

La ProX DMP 300 dirige un laser de haute précision pour créer sélectivement des particules de poudre métallique en fines couches horizontales, l'une après l'autre, en utilisant le matériau LaserForm. Pour ce moule de conduit automobile, B&J Specialty a utilisé un matériau en acier maraging. « La ProX DMP 300 est idéale pour la production de lignes de refroidissement conformes en raison de son extraordinaire précision », a déclaré Rauch. « Nous pouvons tenir des tolérances de trois ou quatre millièmes de pouce. » La technologie brevetée d'impression directe en métal (DMP) de 3D Systems permet d'utiliser des particules de matériau plus petites pour produire les détails les plus fins et les épaisseurs de paroi les plus minces. Une qualité de finition de surface pouvant atteindre 5 Ra μm réduit le post-traitement.

Des gains substantiels de productivité

Après l'impression 3D, B&J Specialty a scanné les insertions dans le logiciel d'inspection et de métrologie Geomagic Control X  à l'aide d'un scanner 3D à ligne laser bleue et a superposé le maillage sur la géométrie telle que conçue pour valider les insertions de moule en métal imprimés en 3D. Les insertions ont été expédiées au fournisseur automobile qui les a installées sur sa machine de moulage. « Les tests de performances ont démontré que le refroidissement plus homogène assuré par les lignes conformes a permis de réduire le temps de cycle et d'augmenter le débit de productivité de 30 % », a déclaré M. Rauch. « Nous nous attendons également à ce que la durée de vie du moule soit sensiblement plus élevée, car les réductions du temps de cycle fournies par le refroidissement conforme permettent de réduire la pression d'injection, ce qui réduit l'usure de la ligne de séparation et des détails complexes du moule. »