Depuis l'origine du moulage par injection industriel, le maintien d'une température régulière à la surface du moule représente un défi permanent.

Pour arriver à stabiliser la température, les fabricants ont utilisé des déflecteurs, des barboteurs et des tuyaux de chauffage. Ils ont laminé des blocs regroupés et ajouté des configurations de perçage complexes à leurs moules.

Au cours des dix dernières années, le refroidissement conforme (la conception de canaux de refroidissement suivant naturellement les contours de la pièce produite) est devenu une solution de contrôle des températures du moulage par injection. Mais le refroidissement conforme ajoute un autre niveau de complexité en termes de conception et de production au processus de fabrication de moules, ce qui le rend inabordable pour la majorité des ateliers.
 

« Une méthodologie à toute épreuve »

Bastech, un fournisseur de solutions uniques basé dans l'Ohio pour les services d'atelier, de fabrication additive et de ventes d'équipements, a connu des problèmes relatifs à la température, mais pense avoir trouvé le moyen d'améliorer le niveau de simplicité, d'efficacité et de rentabilité du refroidissement conforme. Les recherches de la société ont été appuyées par son statut de Partenaire or agréé de 3D Systems qui lui donne accès aux dernières technologies d'impression 3D et aux dernières découvertes dans le domaine.

L'avancée de Bastech, documentée dans deux récents tests de performances, se base sur le logiciel de conception de moules Cimatron™ et le système d'impression directe en métal (DMP) ProX® 200 de 3D Systems. Les simulations pour les conceptions de moule à refroidissement conforme ont été réalisées à l'aide du logiciel Moldex3D, un partenaire de 3D Systems, et les moules DMP produits ont été inspectés à l'aide du logiciel Geomagic® Control de 3D Systems.

Le processus représente une solution de fabrication complète avec une simple intégration entre les environnements numériques et physiques et est entièrement optimisé par les produits de 3D Systems.

« L'association d'un logiciel puissant, conçu pour tirer parti de toutes les capacités de l'impression 3D, à des imprimantes qui produisent des pièces très denses en métal avec des surfaces lisses et un post-traitement limité, offre une méthodologie sans faille pour la fabrication de moules de refroidissement personnalisés », déclare Ben Staub, PDG de Bastech.
 

Automatisation de la conception et de l'analyse

Le premier test de performances de Bastech a comparé deux pièces très similaires en termes de volume, de taille et de configuration de conception. L'une a été conçue avec un noyau conforme, puis imprimée en 3D ; l'autre a été conçue avec une configuration standard de déflecteurs en spirale et fabriquée selon des méthodes conventionnelles.

La conception à refroidissement conforme a été créée à l'aide de Cimatron, un logiciel expert en CAO/FAO couvrant la totalité du cycle de fabrication de moule, de la création de devis à la conception, en passant par l'application des changements techniques, la programmation CN et EDM. La dernière version de Cimatron comprend des fonctionnalités d'analyse et de conception à refroidissement qui prennent en charge les canaux de refroidissement à perçage traditionnels et les canaux de refroidissement conformes pour la fabrication à l'aide des technologies d'impression 3D.

Par le biais d'une intégration étroite avec Moldex3D, les concepteurs de moules par injection utilisant Cimatron ont la capacité de réaliser une analyse automatisée du remplissage de moule pour optimiser la disposition du canal de refroidissement.

« L'association de Cimatron et Moldex fournit un logiciel expert permettant aux ingénieurs moins expérimentés de créer des conceptions de meilleure qualité, affirme Staub. C'est un facteur important, car la demande en fabricants d'outils expérimentés est bien plus importante en raison de la diminution des ressources. »

« La conception pour l'impression 3D requiert une compréhension de la conception du support structurel pour réaliser une conception conforme aux spécifications et pour réduire le coût des matériaux et le temps de conception, ajoute Scott Young, responsable d'ingénierie chez Bastech. Ce type d'expertise est intégré dans le logiciel Cimatron pour permettre à nos concepteurs de se concentrer sur la conception sans avoir à se soucier de la navigation dans le progiciel CAO afin de définir des canaux internes complexes. »
 

Importants gains de temps et de cycles

La conception de Bastech pour le premier test de performances consistait en une hélice effilée placée à l'intérieur d'un cône d'espacement pour des assemblages industriels. Des canaux de refroidissement conforme ont été créés grâce à la rotation de la configuration conique de sorte qu'un côté soit parallèle à la surface externe du noyau tout en étant à une distance constante de celle-ci. En effectuant une coupe le long de l'hélice effilée, Bastech a pu concevoir une géométrie pouvant être fabriquée en un seul tirage sur l'imprimante ProX 200.

La conception du moule imprimé en 3D a duré deux jours et le moule a été produit sur l'imprimante ProX 200 en trois jours. Pour optimiser sa productivité, Bastech a combiné le tirage d'impression 3D pour le moule avec des pièces nécessaires pour d'autres projets Bastech.

L'imprimante ProX 200 est une alternative économique aux processus de fabrication traditionnels, et offre moins de déchets, des vitesses plus importantes en production, des temps de configuration réduits, des pièces en métal très denses et la possibilité de produire des assemblages complexes sous forme de pièce unique. 

« C'est un outil qui améliore nos capacités de moulage, affirme Staub. Il nous fournit un outillage avec un meilleur délai de production et résout les problèmes de blocage au niveau de l'atelier. Nous pouvons économiser 30 à 40 heures par moule en éliminant les processus d'EDM et de perçage, et en limitant considérablement les opérations CNC et de polissage. »

Pour le noyau de l'hélice à flux inversé, la conception et l'analyse dans le logiciel Cimatron, combinées à l'impression 3D sur le dispositif ProX 200, ont permis une économie de plus de 40 heures de programmation et de production en atelier. En prenant en considération la totalité des coûts, le noyau imprimé en 3D a généré une économie nette de 1 765 $ (18 %) par rapport aux méthodes conventionnelles, selon Young.

Plus important encore, le moule à refroidissement conforme a maintenu une faible température tout au long du processus et a réduit le temps de cycle de 22 %.

« Le temps de cycle est un facteur essentiel pour un moulage par injection, avec la capacité de contrôle continu de la température à la seconde près », affirme Staub.

« Plus la stabilisation de la température est uniforme, plus la qualité des pièces moulées sera uniforme, indique Young. Éliminer les déformations causées par la variation de températures et réduire le temps de cycle représentent de considérables gains de performances. »

Résultats du test de performances : comparaison entre le noyau avec déflecteur et le noyau conforme
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Des économies au-delà du noyau

Dans un second test de performances, la société Bastech est allée au-delà du noyau conforme pour concevoir un ensemble complet de moule coulissant avec noyau et cavité, conçu pour une impression 3D. Dans ce cas, l'objectif était de maintenir la même température (110 °F) entre les conceptions conventionnelle et conforme afin d'observer les effets sur le refroidissement et sur les résultats du temps de cycle.

Une fois de plus, une économie considérable de temps a été enregistrée pour la programmation, l'usinage et le polissage, le processus d'EDM étant complètement éliminé dans le cas de la conception avec refroidissement conforme. L'automatisation du logiciel Cimatron a réduit le temps de conception de 30 heures à seulement sept heures pour le moule avec refroidissement conforme. L'économie totale de coûts pour le moule imprimé en 3D a été de 2 505 $, soit une économie de 16 %.

Le temps de refroidissement a été réduit de 10,5 secondes pour le moule conventionnel à 7,5 secondes pour le moule conforme, et le temps de cycle primordial a été réduit de 14 %.

« Même si la température est restée la même pour les conceptions tant conventionnelle qu'à refroidissement conforme, la conception conforme a permis le coulage de plus de liquide sur une plus grande surface, elle est ainsi plus efficace pour le refroidissement du moule », affirme Young.

Résultats du test de performances : comparaison entre le noyau conventionnel et le noyau conforme
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Effet global majeur 

« La recherche de meilleures techniques de refroidissement n'est pas nouvelle, affirme Young. Nous disposons désormais d'un logiciel permettant aux concepteurs de moules de prendre de meilleures décisions concernant la configuration de leurs cavités, noyaux et inserts, puis de les façonner à l'aide de l'impression 3D. »

« Pour le moulage par injection à refroidissement traditionnel, il n'existe aucune solution idéale, affirme Staub. Vous pouvez seulement percer des trous à certains endroits et vous ne pouvez pas percer des trous au niveau des courbes des canaux, comme dans le refroidissement conforme conçu pour l'impression 3D. Désormais, il n'est plus question d'accepter les compromis dans les conceptions à refroidissement conforme. »

Bastech a acheté le système ProX 200 DMP par le biais d'une subvention de l'État de l'Ohio et de l'Institut de recherche de l'Université de Dayton. Une partie de la mission de la société est donc de partager ses résultats avec la communauté industrielle. Staub espère que les efforts de Bastech en matière de tests de performances démontreront aux ateliers de toute taille l'existence de solutions robustes et complètes pour atteindre le refroidissement conforme.

« De nombreux outilleurs devront adopter ces technologies 3D pour améliorer leurs ateliers, affirme-t-il. Nous voulons partager nos réalisations pour que d'autres ateliers puissent voir que c'est possible, et que cela a également un impact majeur sur le chiffre d'affaires ».