Les concepteurs de produits expérimentés possèdent une compréhension approfondie du processus de moulage par injection et prennent en compte de nombreux facteurs lors de la conception de pièces en plastique. Cet article se concentre sur les éléments clés de la conception de pièces moulées en plastique, tels que l'épaisseur de paroi, l'angle de dépouille, les nervures, les trous, les bossages, les ajustements à pression, les ajustements à la presse et les tolérances.
Épaisseur de paroi dans la conception de pièces en plastique
Déterminer l’épaisseur de paroi appropriée est crucial. D'autres caractéristiques, telles que les nervures et les rayons, sont liées à l'épaisseur de la paroi. L'épaisseur de paroi d'un produit en plastique dépend de divers facteurs, notamment les forces externes auxquelles il doit résister, le support d'autres composants, les propriétés du matériau plastique, le poids, les performances électriques, la précision dimensionnelle, la stabilité et les exigences d'assemblage.
Généralement, l'épaisseur de paroi des matériaux thermoplastiques varie de 1 à 6 mm, la plus courante étant de 2 à 3 mm. Pour les pièces de plus grande taille-, l'épaisseur de paroi peut dépasser 6 mm. Le tableau 1 répertorie les valeurs d'épaisseur de paroi recommandées pour divers matériaux thermoplastiques.
Uniformité de l'épaisseur de paroi
L’épaisseur de paroi uniforme est un principe clé dans la conception de pièces en plastique. Une épaisseur de paroi non-uniforme entraîne un écoulement de fusion et un retrait de refroidissement incohérents, entraînant des défauts tels que des marques d'évier, des vides, des déformations et même des fissures. De plus, cela peut provoquer des marques de retrait, des contraintes internes, des déformations, des différences de couleur ou des variations de transparence. Des parois trop fines peuvent réduire la résistance et la rigidité de la pièce lors de son utilisation et de son assemblage. D'un point de vue économique, des pièces trop épaisses augmentent les coûts des matériaux et les délais de production. Les zones en plastique plus épaisses refroidissent plus lentement et sont sujettes aux marques d'évier. La figure 1 illustre une conception d'épaisseur de paroi uniforme.
Si une transition d'une section plus épaisse à une section plus mince est inévitable, elle doit être progressive, en maintenant un rapport d'épaisseur de paroi maximum de 3:1, comme le montre la figure 2.
Dans de nombreux cas, les concepteurs peuvent utiliser des nervures pour modifier l’épaisseur des parois. Cela permet non seulement d'économiser du matériel, de réduire les coûts de production, mais également de réduire le temps de refroidissement. Le temps de refroidissement est à peu près proportionnel à l'épaisseur de la paroi.
En outre, les concepteurs doivent également prendre en compte la longueur du trajet d'écoulement, qui correspond à la distance parcourue par le matériau en fusion depuis la porte jusqu'aux différentes parties de la cavité. Généralement, la longueur du trajet d'écoulement est proportionnelle à l'épaisseur de la paroi. Plus l'épaisseur de la paroi est grande, plus le trajet d'écoulement est long. Si le rapport entre la longueur du trajet d'écoulement et l'épaisseur de la paroi est trop élevé, une quantité insuffisante de matériau ou un remplissage incomplet peut se produire loin de la porte. Par conséquent, dans certains cas, il peut être nécessaire d’augmenter l’épaisseur des parois.
Coins pointus
Les angles vifs entraînent souvent des défauts de pièces et une concentration de contraintes. Ces zones sont sujettes à l'accumulation de matière lors du post-traitement tel que la galvanoplastie ou la peinture. La concentration de contraintes peut provoquer la rupture de la pièce sous une charge ou un impact. Par conséquent, les angles vifs doivent être évités lors de la conception. La figure 3 montre un exemple de conception à coins pointus.
Considérations relatives à l'angle d'approche et à la direction d'éjection
Direction d'éjection et ligne de séparation
Au début de la conception du produit d’injection, il est crucial de déterminer la direction d’éjection et la ligne de joint. Cela minimise le besoin de mécanismes d'action latérale-et réduit l'impact de la ligne de séparation sur l'apparence. Une fois la direction d'éjection déterminée, les structures telles que les nervures, les ajustements à pression-et les saillies doivent être alignées avec elle pour éviter les actions latérales-, réduire les lignes de tricot et prolonger la durée de vie du moule. Par la suite, une ligne de joint appropriée peut être choisie pour améliorer l'apparence et les performances du produit.
Lorsqu’une pièce est retirée du moule, elle doit vaincre la force d’éjection et la force d’ouverture. La force d'ouverture fait référence au processus de séparation de la pièce de la cavité. Au fur et à mesure que la pièce refroidit dans le moule, elle rétrécit, ce qui fait que les parois des trous agrippent étroitement le noyau. La friction entre la pièce et le noyau, l'adhérence sous vide au fond des trous et d'autres facteurs rendent la force d'éjection bien supérieure à la force d'ouverture. Une force d'éjection excessive peut provoquer une déformation, un blanchiment, un froissement et une usure de la surface de la pièce.
Angle de dépouille
L'angle de dépouille est essentiel pour déterminer l'ampleur de la force d'éjection. Étant donné que les pièces moulées par injection collent souvent au noyau (partie mâle) après refroidissement et rétrécissement, l'utilisation du même angle de dépouille sur la cavité et le noyau garantit une épaisseur de paroi uniforme et empêche la pièce de coller à la cavité la plus chaude après l'éjection. Dans des cas particuliers, s'il est nécessaire que la pièce adhère à la cavité après l'éjection, l'angle de dépouille sur la cavité adjacente peut être réduit ou une contre-dépouille intentionnelle peut être ajoutée à la cavité.
Il n'y a pas de valeur fixe pour l'angle de dépouille ; elle est généralement déterminée empiriquement. Un angle de dépouille aussi petit que 1/8 ou 1/4 de degré peut être utilisé sur des murs extérieurs hautement polis. Pour les pièces plus profondes ou les pièces avec des textures, l'angle de dépouille doit être augmenté en conséquence. En règle générale, pour chaque 0,025 mm de profondeur de texture, l'angle de dépouille doit être augmenté de 1 degré.
De plus, bien que des angles de dépouille plus grands facilitent généralement le démoulage des pièces, le maintien de la précision dimensionnelle est primordial. Les erreurs dimensionnelles causées par l'angle de dépouille doivent être maintenues dans la tolérance de précision. Pour les pièces présentant un retrait élevé ou des formes complexes, un angle de dépouille plus grand doit être envisagé.
Nervures dans la conception de pièces en plastique
La résistance d’une pièce en plastique ne dépend pas uniquement de l’augmentation de l’épaisseur de sa paroi. En fait, l’augmentation de l’épaisseur des parois entraîne un retrait plus important, ce qui entraîne des contraintes internes qui réduisent réellement la résistance. La clé pour améliorer la résistance d’une pièce en plastique réside dans sa rigidité. Ceci est souvent réalisé en combinant une structure à paroi mince-avec des nervures stratégiquement placées pour augmenter le module de section.
Considérations relatives à la conception des nervures
Cependant, l’ajout de nervures augmente l’épaisseur à la jonction avec le mur principal. Cette épaisseur est généralement déterminée par le diamètre du plus grand cercle inscrit, lui-même déterminé par l'épaisseur de la nervure et le rayon de la racine. Pour une épaisseur de paroi de base de 4 mm, la variation de l'épaisseur de la nervure et du rayon de la racine modifie le diamètre du plus grand cercle inscrit. La figure 4 montre comment une augmentation de l'épaisseur locale de la paroi peut entraîner l'apparition de marques d'affaissement sur la surface opposée, affectant ainsi l'apparence. Une conception rationnelle peut réduire le risque de dépression de surface, améliorant ainsi la qualité des pièces.
L'analyse montre que l'épaisseur d'une nervure doit être minimisée autant que possible dans une certaine plage. Si la nervure est trop fine, sa hauteur doit être augmentée pour conserver sa rigidité. Cependant, des nervures trop fines peuvent entraîner un flambage lors de l'injection, des difficultés de remplissage du moule et un collage au moule. Le rayon à la base de la nervure ne doit pas être trop petit pour éviter la concentration des contraintes.
En règle générale, le rayon de racine d'une nervure doit être d'au moins 40 % de l'épaisseur de la nervure. L'épaisseur des nervures doit être comprise entre 50 % et 75 % de l'épaisseur de la paroi de base, des pourcentages plus élevés étant applicables uniquement aux matériaux à faible retrait. La hauteur des nervures doit être inférieure à cinq fois l'épaisseur de la base. Les nervures doivent avoir un angle de dépouille et leur orientation doit être alignée avec la direction d'éjection, sinon des composants de moule mobiles peuvent être utilisés. L'espacement entre les nervures doit être supérieur à deux fois l'épaisseur de la base.
Pour obtenir une rigidité uniforme dans toutes les directions, la méthode la plus simple consiste à ajouter des nervures à la fois longitudinalement et transversalement, les nervures se coupant perpendiculairement. Cependant, cela augmente l’épaisseur de la paroi à l’intersection, entraînant un retrait plus important. Une solution courante consiste à ajouter un trou circulaire à l'intersection pour former une épaisseur de paroi uniforme, comme le montre la figure 5.
Considérations de conception pour les trous dans les pièces en plastique
1. Emplacement et résistance des trous
Il est courant d'incorporer des trous dans les pièces en plastique pour faciliter l'assemblage ou à des fins fonctionnelles. Idéalement, la taille et l'emplacement de ces trous ne devraient pas compromettre la résistance du produit ni augmenter la complexité de fabrication. Considérations clés :
La distance entre les trous adjacents, ou la distance entre un trou et le bord le plus proche, doit être au moins égale au diamètre du trou. Ceci est particulièrement important pour les trous situés près des bords afin d'éviter toute casse. Pour les trous filetés, la distance entre le trou et le bord du produit est généralement supérieure à trois fois le diamètre du trou.
2. Types de trous
Les trous sont de différents types, tels que les trous débouchants, les trous borgnes et les trous étagés. Du point de vue de l'assemblage, les trous débouchants sont plus courants et plus faciles à usiner que les trous borgnes. En termes de conception de moule, la structure des trous traversants est plus simple. Ils peuvent être formés en plaçant des noyaux à la fois sur les parties mobiles et fixes du moule, ou en utilisant un seul noyau dans une seule partie. Le premier crée deux poutres en porte-à-faux sous l'action du plastique fondu, mais en raison des courtes longueurs des poutres, la déformation est minime. Cette dernière forme généralement une poutre simplement appuyée, avec également une déformation minimale. Lorsque deux noyaux sont utilisés, leurs diamètres doivent être légèrement différents pour éviter tout désalignement et garantir une surface de contact lisse. Les trous borgnes formés par les broches centrales en porte-à-faux sont plus susceptibles de se plier sous l'impact du plastique fondu, conduisant à des formes de trous irrégulières. En règle générale, la profondeur d'un trou borgne ne doit pas dépasser le double de son diamètre. Pour les trous borgnes d'un diamètre de 1,5 mm ou moins, la profondeur ne doit pas dépasser le diamètre. L'épaisseur de la paroi au fond d'un trou borgne doit être d'au moins un - sixième du diamètre du trou pour éviter le retrait.
3. Trous latéraux
Les trous latéraux sont généralement formés à l'aide de noyaux latéraux, ce qui augmente le coût et la maintenance du moule, en particulier lorsque le noyau latéral est long et sujet à la rupture. Si cela est possible, la conception peut être améliorée comme le montre la figure 6 pour atténuer ces problèmes.
Bossages dans la conception de pièces en plastique
Les bossages dépassent généralement de l'épaisseur de la paroi principale et sont utilisés pour l'assemblage de produits, l'espacement d'objets et le support d'autres composants. Les bossages creux peuvent accueillir des inserts ou des vis. Ces applications nécessitent que les bossages aient une résistance suffisante pour résister à la pression sans se fissurer. Les bossages sont généralement cylindriques, car cette forme est plus facile à mouler et offre de meilleures propriétés mécaniques.
Intégration avec la structure
Idéalement, un bossage ne devrait pas être conçu comme un cylindre isolé, mais devrait être relié à la paroi extérieure ou utilisé conjointement avec des nervures. Cette approche améliore la résistance du bossage et facilite l'écoulement fluide de la matière plastique. La connexion au mur extérieur doit être une connexion à paroi mince-pour éviter les marques d'évier.
Le rayon du congé à la base où le bossage se connecte au substrat doit être 0,4 à 0,6 fois l'épaisseur du substrat. L'épaisseur de la paroi du bossage doit être comprise entre 0,5 et 0,75 fois l'épaisseur du substrat. Le dessus du bossage doit être chanfreiné pour faciliter l'installation des vis. Les patrons doivent également avoir un angle de dépouille. Ces exigences de conception sont similaires à celles des nervures, de sorte qu'un bossage peut être considéré comme une variante d'une nervure. Reportez-vous aux figures 7 et 8 pour ces relations.
Bossages filetés pour-vis autotaraudeuses
De nombreux bossages sont utilisés pour connecter des vis autotaraudeuses-. Les filetages internes de ces bossages sont formés par un processus de moulage à froid-, qui façonne le plastique par déformation plutôt que par découpe. Les dimensions des bossages filetés doivent être suffisantes pour résister aux efforts d'insertion des vis et aux charges qu'elles supportent. Le diamètre de l'alésage sur le bossage doit garantir que la vis reste sécurisée dans des conditions de couple et de vibration spécifiées.
Le diamètre extérieur du bossage doit résister aux forces circonférentielles générées lors du serrage des vis sans se fracturer. Pour faciliter l'insertion des vis, une fraise est généralement prévue au sommet du bossage, d'un diamètre légèrement supérieur au diamètre nominal de la vis. Le calcul des dimensions des bossages peut être complexe.
Une méthode d'estimation simplifiée, proposée sur des sites Internet étrangers et basée sur le diamètre nominal de la vis, est recommandée. Tout d'abord, déterminez le matériau de la vis, puis, sur la base du coefficient correspondant dans le tableau, remplacez le coefficient par le diamètre nominal de la vis pour déterminer la taille appropriée.
Connexions-encliquetables dans la conception de pièces en plastique
L'assemblage par encliquetage-est une méthode de connexion pratique, économique et respectueuse de l'environnement. Les composants à clipser-sont moulés simultanément avec le produit, éliminant ainsi le besoin de fixations supplémentaires telles que des vis. L'assemblage consiste simplement à assembler les pièces correspondantes.
Le principe d'une connexion par encliquetage-consiste à pousser une partie saillante d'un composant par-dessus une obstruction sur un autre. Ce processus implique une déformation élastique ; une fois l'obstruction éliminée, la pièce reprend sa forme d'origine et se verrouille en place, comme le montre la figure 9. Les connexions par encliquetage- peuvent être permanentes ou détachables.
Structurellement, les ajustements instantanés-peuvent être classés en types en porte-à-faux, annulaires et sphériques, comme le montre la figure 10.
Angles clés et calculs
Angles critiques
Les deux angles clés dans la conception à encliquetage-sont l'angle de retour (ou angle de rétention) et l'angle d'entrée-d'entrée. Généralement, un angle de retour plus grand favorise un ajustement plus sûr. Lorsque l'angle de retour approche 90 degrés, la connexion par encliquetage- devient permanente, comme le montre la figure 11.
