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RÉSUMÉ
Utilisée dans la fabrication de moules d'injection de polymères, la fabrication additive métallique 3D permet de réaliser des inserts qui améliorent le rendement du refroidissement de la pièce injectée. En rendant possible la fabrication d'un réseau complexe de canaux de refroidissement situés au plus près de la surface moulante, cette technologie matérialise le concept dit de refroidissement conforme. Cet article détaille les différentes étapes de la conception-réalisation d'une telle pièce, la clé de l'optimisation étant la prise en compte de toutes les particularités de chaque étape du procédé ; il s'appuie sur des exemples industriels réels pour illustrer l'efficience de cette approche.
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When used to manufacture injection molding tools parts or inserts, additive metal manufacturing enables the creation, within the insert core, of complex cooling channels that closely map the mold cavity surface, allowing for an optimized cooling rate of the injected plastic part. This leads to an embodiment of the so called “Conformal Cooling” concept. This article reviews the different steps one has to go through when designing the machining process, and details how each step has to be calibrated to match the final cooling optimization goal with the specific additive 3D manufacturing features. The conformal cooling advantages are demonstrated through real industrial case studies.
Auteur(s)
-
Stéphane GARABEDIAN : Chef de projet fabrication additive - Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (CT-IPC), Oyonnax, France
-
Thomas JOFFRE : Responsable programme fabrication additive/usine du futur - Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (CT-IPC), Oyonnax, France
INTRODUCTION
Les procédés de fabrication additive métallique offrent une liberté de conception et de réalisation plus importante qu’avec les procédés traditionnels, ce qui permet de fabriquer des pièces de formes très complexes, avec des gains de poids déterminants pour certaines applications, par exemple dans les secteurs aéronautique et médical. Toutefois, leur intérêt ne s'arrête pas à ces seules applications : la fabrication additive métallique peut être avantageusement utilisée dans la réalisation d'outillages – ou de parties d'outillages – de moules d’injection de polymères : les empreintes ou les inserts. L’intérêt de réaliser une empreinte de moule d’injection en fabrication additive métal ne réside pas dans la réalisation de surfaces moulantes : n’étant pas assez précises, toutes les surfaces en contact avec la pièce injectée en matière plastique devront être reprises en usinage. Le point clé qui a permis à l’impression 3D de s’imposer dans le secteur de l’outillage est la création des canaux de refroidissement complexes à l’intérieur du moule. On parle de Conformal Cooling ou de refroidissement conforme : les canaux permettent de se rapprocher au mieux de la surface moulante et donc d’optimiser et homogénéiser le refroidissement de la pièce plastique injectée dans le moule. L’optimisation du refroidissement permet de réduire le temps de cycle de l’injection et donc d’augmenter la productivité d’un moule. L’homogénéisation permet quant à elle d’obtenir une meilleure qualité de pièce et ainsi d’éviter certains défauts d’injection comme les lignes de soudure, les retassures ou la déformation de la pièce au démoulage.
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KEYWORDS
power bed fusion | cooling channels | mold cavity surface | maraging steel
DOI (Digital Object Identifier)
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Perspectives de la fabrication additive dans l’outillage2. Étapes de mise en œuvre pertinente de l’impression 3D métallique pour les outillages
2.1 Estimer le temps de refroidissement objectif
Le premier objectif est d’estimer le temps de refroidissement minimal nécessaire pour refroidir la pièce polymère injectée dans de bonnes conditions avec une bonne homogénéité thermique pour limiter les déformations mécaniques et les défauts d’aspects. La fabrication additive métal LPBF présentera un intérêt technico-économique lorsqu’au cours de la phase de développement de l’outillage les méthodes et outils de conception de régulation conventionnels atteignent leurs limites : accessibilité réduite, forme moulante en porte-à-faux non réalisable par un perçage traditionnel, faible épaisseur matière…
De manière générale, la conception d’un outillage d’injection fait appel à des règles métier plasturgiste et des logiciels de simulations du procédé d’injection plastique. Ces outils numériques conventionnels tel que SOLIDWORKS Plastics, Moldex3D ou MoldFlow permettent de définir l’emplacement et les sections hydrauliques des circuits de régulation pour estimer un temps de refroidissement optimal pour une configuration donnée. La démarche de création d’un outil Conformal Cooling peut s’appuyer sur ces outils numériques existants. Dans le but d’optimiser la conception et le dimensionnement de la thermique de l’outillage, le Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (CT-IPC) a aussi développé des outils numériques métier permettant de faciliter ces étapes :
-
MoldTherm permet d’estimer le temps de refroidissement minimal nécessaire pour solidifier dans de bonnes conditions la pièce plastique injectée ; ce logiciel permet donc d’évaluer le potentiel de gain du Conformal Cooling ;
-
MCOOL va ensuite permettre de concevoir les canaux de régulation Conformal Cooling pour refroidir la pièce dans ce temps de refroidissement optimal (suivant les données d’entrée du logiciel MoldTherm) ;
-
enfin HydroMold permet l’équilibrage des circuits (pontage des circuits afin de maximiser les échanges de chaleur, choix du thermorégulateur le plus adapté en ce qui concerne le choix de pompe).
Récemment, Siemens a inclus dans sa solution NX Mold Design la possibilité de créer et d’évaluer la performance des circuits de régulation.
...
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Étapes de mise en œuvre pertinente de l’impression 3D métallique pour les outillages
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AGAZZI (A.), SOBOTKA (V.), LE GOFF (R.), GARCIA (D.), JARNY (Y.) - A methodology for the design of effective cooling system in injection moulding. - International journal of material forming, 3(1), p. 13-16 (2010).
-
(2) - YIN (S.), CHEN (C.), YAN (X.), FENG (X.), JENKINS (R.), O'REILLY (P.), LUPOI (R.) - The influence of aging temperature and aging time on the mechanical and tribological properties of selective laser melted maraging 18Ni-300 steel. - Additive Manufacturing, 22, p. 592-600 (2018).
-
(3) - HAN (S.), SALVATORE (F.), RECH (J.), BAJOLET (J.) - Abrasive flow machining (AFM) finishing of conformal cooling channels created by selective laser melting (SLM). - Precision Engineering, 64, p. 20-23 (2020).
-
(4) - GALANTUCCI (L.M.), DASSISTI (M.), LAVECCHIA (F.), PERCOCO (G.) - Improvement of fused deposition modelled surfaces through milling and physical vapor deposition. - In 1st Workshop on the State of the Art and Challenges of Research Efforts at POLIBA, vol. 1, p. 87-92 (2014).
-
(5) - Van BELLE (L.), VANSTEENKISTE (G.), BOYER (J.C.) - Investigation...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs de machines de fusion laser (liste non exhaustive)
3D Systems (ex Phenix Systems)
http://www.phenix-systems.com/
Addup
https://www.addupsolutions.com/
Concept Laser
EOS
Renishaw
SLM Solutions
http://www.stage.slm-solutions.com/
HAUT DE PAGE1.2 Fournisseur matériaux pour outillage (liste non exhaustive)
VBN
HAUT DE PAGE
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