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Réduire les coûts de production grâce à l’Injection Assistée par Gaz

Réduire les coûts de production en injection :

l’Injection Assistée par Gaz peut être une solution !

 

Il y a déjà 20 ans,…

Ce procédé provoquait une certaine euphorie auprès des transformateurs de matières plastiques qui voyaient là une technologie innovante et qui permettait de se démarquer commercialement par rapport aux concurrents.

Vint ensuite une période de désillusions causées essentiellement par des arcanes juridiques liées au procédé faisant appel à des masselottes. Bien sûr, il y a aussi eu des désillusions dues aux problèmes techniques liés à la mise en œuvre du procédé en particulier pour les pièces d’aspect.

 

De nouvelles applications

Aujourd’hui, les applications de l’IAG se diversifient et l’on trouve des applications dans des domaines aussi variés que le médical, le bricolage et l’ameublement. Il y a encore 10 ans, on considérait que le procédé était «réservé» à l’automobile et aux façades de téléviseurs. Cette récente évolution est due à la créativité dont ont fait preuve les designers et bureaux d’études.

Ce procédé est arrivé aujourd’hui à maturité et l’on commence à lui redécouvrir un intérêt économique. Les gains traditionnellement reconnus de l’IAG sont:

– amélioration de la qualité par la suppression de retassures

– gain matière

– renfort mécanique

– diminution de la force de fermeture

 

Toujours plus de gains

 

Aujourd’hui, on pourra ajouter à cette liste:

– amélioration de la phase de compactage

– utilisation possible de bloc chaud

– possibilité de concevoir des moules multi-empreintes

– simplification de l’outillage par suppression de mouvements

 

Cependant, ces gains ne peuvent être réalisés qu’en mettant en œuvre le procédé de remplissage partiel de l’empreinte. Parmi tous les procédés d’injection du gaz, il est aujourd’hui admis que l’emploi des masselottes était une fausse bonne idée et présente bien plus d’inconvénients que d’avantages.

– aucune réduction de force de fermeture

– recyclage des masselottes quand cela était nécessaire

– augmentation du temps de cycle car nécessité de refroidir les masselottes

– quasi-impossibilité d’avoir plus de 4 empreintes

– pression d’injection de gaz très importante

Une expérience récente a montré un gain cumulé de 22% entre la pièce produite en injection classique et la pièce réalisée en injection assistée par gaz.

 

Comment est-ce possible ?

 

Améliorer de la phase de compactage

En fin d’injection dynamique, la commutation en pression est généralement réalisée entre 96% et 99% du volume de la cavité. C’est lors de cette phase de compactage que la force de fermeture va croître de près de 30%. Par ailleurs, on provoquera un gradient de pression entre le point d’injection et la dernière zone remplie. L’idée est de remplacer le champ de pression classiquement appliqué par la vis par une injection d’azote sous pression. On aura bien sûr pris la précaution d’aménager une légère surépaisseur de façon à guider le gaz dans la veine chaude. C’est ce qui est plus ou moins bien réalisé sur les façades de téléviseurs.

Par ailleurs, tout transformateur sait que la phase de compactage est une des causes principales des déformations d’une pièce injectée.. Le gaz s’infiltrant jusqu’aux extrémités permettra un compactage à pression homogène dans toute la pièce. Le gradient de pression étant alors considérablement réduit, on diminuera d’autant les déformations dues aux conditions d’injection.

 

Mais ce gain n’est réalisable qu’en utilisant le procédé de remplissage partiel par opposition aux procédés qui demandent un remplissage complet de la cavité. Bien évidemment, le gaz pourra être maintenu pendant la totalité du cycle d’injection avec une évacuation quelques secondes avant l’ouverture du moule. Cette injection de gaz maintenue permet de supprimer des phénomènes de décollement de la matière de la paroi du moule lors de la phase de refroidissement. Certains phénomènes de brillance peuvent être supprimés simplement en injectant un peu de gaz en toute fin d’injection dynamique.

 

Pour avoir un champ de pression parfaitement homogène dans une pièce IAG, la solution idéale est de connecter toutes les veines gaz de façon à ce qu’elles communiquent entre elles annulant ainsi le gradient de pression. Il est intéressant de remarquer que le niveau de pression du gaz aura alors une influence directe sur le dimensionnel de la pièce.

 

en injection classique                          en injection assistée par gaz

 

Poids pièce                              42.4 g                                                  36.2 g

Temps de cycle                       47 s                                                      28 s

 

Pourtant, aujourd’hui encore, on trouve dans la littérature l’affirmation que deux bulles de gaz ne peuvent se rencontrer et laissent entre elles un matelas matière générateur de retassures. Mais, lorsque la géométrie de la pièce a été optimisée, lorsque les injecteurs ont été positionnés et raccordés de façon optimale, on peut observer la connexion quasi parfaite des différentes bulles de gaz. Une bulle repoussera l’autre en retapissant le matelas de matière contre les parois. Le résultat le plus spectaculaire avait été obtenu sur la tablette arrière de l’AUDI TT transformée chez JOHNSON CONTROLS Wüppertal (D). Cette pièce de 864mm de longueur est parfaitement plane et ne présente aucune déformation.

A chaque fois que nous avons réussi à reproduire ce phénomène, nous obtenions une pièce sans la moindre déformation et sans la moindre retassure. On pourra citer certaines versions d’un grill de table et de coiffe de mixer.

 

Utiliser un bloc chaud

Contrairement à des idées reçues, utiliser un bloc chaud en IAG est tout à fait possible, il suffit de prendre des précautions et en particulier munir les busettes d’obturateurs. Par contre l’utilisation d’un bloc chaud pour un moule multi-empreintes présente plus d’inconvénients que d’avantages. En effet, il est quasiment impossible d’équilibrer parfaitement des busettes chaudes et un écart de plus de 0.5% en masse injectée entre les empreintes aura pour conséquence un taux de rebut important.

Utiliser des moules multi-empreintes

Mettre en œuvre l’IAG en remplissage partiel sur des outillages multi-empreintes présente de nombreuses difficultés. La principale difficulté est d’ équilibrer parfaitement le remplissage. Sur des pièces de 15 g, on ne peut accepter que 0.5% d’écart d’une cavité à l’autre au risque d’avoir des défauts d’aspect ou des taux de rebuts rédhibitoires. Cette formidable contrainte de précision dans le remplissage condamne les blocs chauds. L’équilibrage naturel est la solution la plus simple. Mais cela ne suffit pas, il faut appliquer exactement les mêmes règles pour la partie gaz et pour la partie circuits de refroidissement. Il faut que toutes les empreintes soient refroidies exactement de la même façon pour ne créer ni point chaud, ni point froid pouvant ralentir ou accélérer le flux matière.

 

Simplifier l’outillage

Une autre application de l’IAG peut être de supprimer des mouvements dans un outillage, pour sortir une contre-dépouille par exemple. Tout le monde sait qu’un mouvement dans un moule coûte cher et injecter du gaz au bon endroit peut permettre de résoudre le problème. Très récemment, nous avons étudié une coque de rétroviseur dont une bande épaisse était évidée par une lame métallique. Malheureusement, cette lame se cassait de façon presque systématique. En la supprimant, et en injectant du gaz au bon endroit, non seulement le problème de casse du moule a été résolu, mais en plus on a amélioré le design de la coque.

 

Gagner encore plus et cette fois-ci, gagner en temps de développement

 

A l’apparition des codes de calculs de simulation, la majorité des transformateurs utilisaient les études de remplissage comme argument commercial. Cette démarche a perduré un certain temps mais maintenant tout bureau d’étude est pourvu de logiciels de simulation de remplissage. Ces outils de simulation ont bien évidemment un coût tant technique qu’humain et trouver une rentabilité n’est pas chose aisée sauf à y pratiquer de façon systématique.

 

Aujourd’hui, les transformateurs ne sont plus prêts à payer une étude de rhéologie aux belles couleurs.

La simulation comme chacun sait permet de valider la meilleure adéquation design, matière, procédé, avant tout engagement en outillages coûteux. La simulation permet de se passer de moules prototypes et de phases d’essais et de mises au point qui s’avèraient longues.

Ces études doivent permettre de faire mieux, plus vite et moins cher.

 

Faire mieux, c’est d’abord éviter toutes les modifications de position du ou des points d’injection et éviter les tâtonnements lors des phases de mise au point.

 

Plus vite, car les délais de développements imposés par les grands donneurs d’ordres ont été réduits considérablement ces dernières années.

 

Moins cher, pour conserver ses clients mais aussi pour montrer que l’innovation est une volonté constante.

 

Autant en injection classique, tout ingénieur plasturgiste a suivi dans son cursus un module de formation aux outils de simulation lui permettant de prévoir avec une bonne précision le comportement de la matière lors du cycle d’injection.

Par contre, la mise en œuvre des procédés exotiques devient plus problématique. Produire des images en couleurs en montrant une bulle de gaz est à la portée de tout utilisateur de ces logiciels. Mais sans le recul de l’expérience, ces compétences théoriques s’avèrent souvent insuffisantes. Dans la littérature, rares sont les exemples d’applications expliquées et détaillées et même rien ne ressemble plus à une poignée de virage qu’une autre poignée et ce que l’on a appris sur la première n’est pas forcément applicable à la suivante. Ainsi, en injection assistée par gaz, il faut prendre en compte dans le polymère l’écoulement d’un fluide avec une viscosité quasi nulle.

La combinaison de ces deux écoulements est souvent très compliquée ; pour l’une ou l’autre pièce, l’étude de rhéologie a permis de conclure à la non-faisabilité de la pièce avec le procédé d’injection assistée par gaz. Il est tout de même plus économique de faire une étude pour valider les choix technologiques que de multiplier des modifications d’outillage et journées d’essais pour aboutir au même constat d’échec. Si l’étude de simulation en injection assistée par gaz est menée dans les règles et avec rigueur, deux à trois journées de mise au point suffisent pour valider la qualité de la pièce.

Les logiciels permettent ainsi de donner avec précision :

  • la position exacte du ou des points d’injection matière
  • la position exacte du ou des points d’injection du gaz
  • le poids pièce
  • le pourcentage de gaz
  • la pression d’injection du gaz
  • le temps de cycle

Ces informations sont suffisantes pour dimensionner l’installation des périphériques nécessaires à la mise en œuvre du procédé d’injection assistée par gaz. Ainsi, injecter le gaz à 50 bar n’a pas du tout les mêmes conséquences sur le prix final de la pièce que de devoir l’injecter à 150 bar. Entre les deux options, une installation type cadres suffit alors que l’option haute pression implique l’investissement d’un compresseur et peut être même d’un générateur sur site en fonction du volume.