Ce que l'impression 3D peut contribuer à la fabrication de moules

Traditionnellement, les processus de production les plus utilisés dans l'industrie ont été classés en deux groupes principaux : la fabrication soustractive, principalement représentée par l'usinage CNC, et la fabrication formative ou de moulage, représentée par le moulage par injection et le moulage à la cire perdue. Les deux groupes ont vécu ensemble jusqu'à aujourd'hui, et le choix de l'un ou l'autre a principalement dépendu de la complexité de la pièce, du matériau choisi ou du volume de fabrication.

Ces derniers temps dans l'industrie, un troisième groupe coexiste avec les deux précédents : la fabrication additive ou l'impression 3D. Sauf dans des cas très spécifiques ou des applications très spécifiques, la fabrication et la formation soustractives et additives prennent actuellement en charge un grand nombre de matériaux courants et sont capables de produire des pièces très complexes. C'est pourquoi plusieurs fois les critères de sélection de l'un ou de l'autre sont principalement basés sur le coût de production.

Image 1: Courbes de coûts unitaires basées sur le volume de production. Source: 3Dhubs.com

Dans les volumes de production faibles ou moyens, le moulage ne peut pas concurrencer la fabrication additive et l'usinage CNC, principalement en raison des coûts d'amortissement élevés des équipements et du besoin de moules à coût élevé. Cependant, en ce qui concerne la fabrication en série, le moulage est le roi incontesté.

Le formage par moulage a besoin de la fabrication de moules pour le moulage par injection et de négatifs en cire sacrificielle dans le cas du moulage à la cire perdue, qui à son tour nécessitent également des moules ou des méthodes CNC pour leur production. Et c'est pourquoi l'usinage CNC est toujours nécessaire même dans les processus de moulage, car il s'agit traditionnellement de la méthode la plus courante dans la production de moules réutilisables.

Image 2: Moule de formage par injection. Source: https://commons.wikimedia.org/

Image 3: Modèle en cire pour moulage à la cire perdue. Source: https://commons.wikimedia.org/

Mais qu'est-ce que l'impression 3D peut contribuer au moulage?

Moulage à la cire perdue

Le moulage à la cire perdue consiste à appliquer un revêtement céramique sur un modèle de cire sacrificielle et à le calciner pour obtenir ainsi le moule. Il s'agit d'un procédé largement utilisé dans la fabrication de composants mécaniques en fonte en raison de sa grande précision et du fait qu'il permet la production de formes très complexes.

Le principal inconvénient de ce processus est que le moule est détruit lors du retrait de la pièce, il est donc nécessaire de créer un modèle en cire et un moule pour chaque pièce.

Vidéo 1: Processus de moulage à la cire perdue. Source: Niagara Investment Castings

Pour produire les modèles en cire, un moule permanent est nécessaire, généralement usiné à partir d'aluminium à l'aide de CNC. Cela signifie que pour les faibles volumes de production, les coûts vont monter en flèche. Une autre alternative consiste à utiliser l'usinage CNC pour produire les modèles de cire dans le cas de prototypes ou de fabrication de quelques unités, mais bien que les coûts soient réduits, cela nécessite un équipement coûteux et présente certaines limites concernant les pièces complexes.

C'est là que l'impression 3D peut signifier un changement de paradigme. D'une part, le développement de nouveaux matériaux coulables pour l'impression SLA et FDM permet de remplacer les modèles traditionnels en cire par des modèles polymères imprimés en 3D. Cela suppose une série d'avantages non seulement au niveau des coûts de production des modèles, mais également en termes de gain de temps et d'agilité lors de l'introduction de nouveaux produits ou de la correction de défauts. De plus, les modèles fabriqués par impression 3D ont une résistance à la cire beaucoup plus élevée, minimisant la possibilité de les casser ou de provoquer des défauts lors de la manipulation.

Aujourd'hui, pratiquement tous les fabricants de résines ont des matériaux moulables de haute qualité tels que la résine moulable Formlabs ou Uniz ZWax. Cela a amené l'impression 3D SLA à remplacer largement l'utilisation de la cire dans certains secteurs tels que les bijoux, où l'utilisation d'imprimantes telles que la form 3 est courante.

Image 3: Modèles de bijoux imprimés en 3D pour une utilisation dans la coulée de cire perdue. Source: Formlabs

Malgré cela, dans d'autres secteurs tels que l'industrie, les modèles en cire sont encore courants, peut-être en raison du besoin de grands modèles. Aujourd'hui, l'apparition d'imprimantes SLA 3D à grand volume telles que la Form 3L ou UniZ zSLTV, ainsi que le développement de filaments moulables tels que PolyCast, font de moins en moins de limitation de taille et que les secteurs industriels peuvent bénéficier de la Avantages de substituer des modèles 3D aux modèles en cire.

Vidéo 2: Utilisation du filament Polycast. Source: Polymaker.

Cependant, la production de modèles en cire est également régie par le graphique de la figure 1, atteignant un point où le coût de fabrication de modèles en cire à l'aide d'un moule est plus rentable que la production des modèles par impression 3D. Et même ici, l'impression 3D a beaucoup à offrir. La basse température de fusion de la cire signifie que les moules traditionnels en aluminium ou en acier peuvent être remplacés par des moules imprimés en 3D.

Image 4: Form 3L. Source: Formlabs

Moulage par injection

Le moulage par injection est un processus de fabrication formatif dans lequel du plastique moulé sous pression est injecté dans un moule amovible et se laisse refroidir et se solidifier à l'intérieur.

Traditionnellement, l'utilisation de l'impression 3D dans la fabrication de moules d'injection a été considérée comme impossible. Cela est dû à deux raisons principales: la faible résistance thermique des polymères utilisés dans l'impression 3D et la rugosité de surface inhérente à l'impression 3D SLS métallique.

Aujourd'hui, l'impression 3D ne peut pas complètement remplacer les moules à injection CNC, mais le développement de matériaux d'impression 3D SLA à haute résistance thermique et mécanique a ouvert la porte à l'utilisation de moules imprimés en 3D.

Un exemple est la résine Formlabs High Temp, capable de résister à des températures de près de 300 ºC sous une pression de 0,45 MPa. Ses propriétés thermomécaniques élevées, ainsi que la haute résolution et l'excellente finition de surface de la technologie SLA, en font un matériau idéal pour la fabrication de moules.

Image 5: Moule d'injection réalisé par impression 3D SLA. Source: 3Dhubs

Pour cette raison, l'impression 3D peut être un excellent complément dans la production de moules d'injection. D'une part, il permet la fabrication de moules économiques pour des séries courtes, et d'autre part il permet de vérifier la conception des moules métalliques avant de les usiner. Ce dernier est d'une grande importance, car la correction d'un défaut dans un moule usiné nécessite des processus de rectification et même l'usinage complet d'un nouveau moule, ce qui entraîne une augmentation significative des coûts et un retard de production.

Image 6: Moules en silicone Source: wikipedia

Ils sont peut-être le type de moule le plus courant et que nous avons tous utilisé à un moment donné, par exemple pour faire des glaçons, des chocolats ou des muffins.

Image 7: Moule thermoformé. Source: Mayku

Cependant, leur utilisation n'est pas limitée aux pâtisseries domestiques, mais elles sont largement utilisées dans les bijoux pour fabriquer des composants de bijoux en résine, ou dans l'art et la décoration pour produire des éléments en ciment et en plâtre.

Malgré le fait que sa fabrication soit très simple, la seule façon de réaliser les moules est d'avoir un modèle original à utiliser comme gabarit, et c'est là que l'impression 3D devient utile.

L'impression 3D offre la possibilité d'obtenir des modèles personnalisés, rapidement et à peu de frais à utiliser comme modèle dans la production de moules en silicone et thermoformés. Ceci, associé à la disponibilité d'équipements de thermoformage peu coûteux tels que le Mayku Formbox, permet aux petites pâtisseries, bijoux et artisans de produire leurs propres moules personnalisés de manière simple et peu coûteuse, donnant une valeur ajoutée à leurs produits.

Video 3 : Thermoformé avec Mayku Formbox. Source : Mayku

L'impression 3D est non seulement une ressource utile pour réduire les coûts dans les faibles volumes de production, mais même dans les grandes productions, où l'utilisation de moules est essentielle, l'impression 3D s'est avérée être une technologie très utile qui peut aider à sa fabrication ou dans certains cas, même les remplacer.