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Les Experts du Torlon, du PEEK et les autres
polymères haute performance

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Sélection du matériaux et du procédé pour
vos Pièces en Plastiques ultra-performantes

Cypress, Texas, Août 2019

Ce document a pour but d'aider les concepteurs et les ingénieurs de l'industrie des plastiques à choisir les procédés et les matériaux qui maximisent la performance des pièces critiques pour l'entretien.

Dans l'industrie du plastique, il y a beaucoup de confusion sur les différences relatives entre les pièces en plastique usinées et moulées. C'est facile à comprendre quand on regarde les valeurs dans les fiches techniques des fabricants de résines et de produits semi-finis. Les valeurs indiquées dans les fiches techniques sont presque toujours supérieures à celles des principaux fabricants de produits semi-finis. Ne vous laissez pas distraire ou retarder par cette observation pour développer et produire la meilleure pièce possible. Ce malentendu peut entraîner des retards de production, des pertes de performance et/ou des dépassements de budget, et dans le pire des cas, des défaillances imprévues.

Conception de pièces

Les éléments suivants doivent être pris en compte dans la conception :

  1. Exigences de rendement
  2. Propriétés dimensionnelles
  3. Le coût cible

Les deux premiers semblent évidents, mais les coûts cibles sont souvent négligés. Après tout,“ ne peut-on pas produire toutes les pièces en plastique d'une façon moins couteuses qu'une alternative métallique ?" Non, pas toujours. De nombreux polymères à hautes performances dépassent les coûts des métaux spéciaux, même s'ils sont considérés en volume. Les économies généralement associées à la transformation en plastique proviennent de l'amélioration de l'efficacité et de la réduction du nombre de phases de production dans le moulage par injection. Cependant, le coût doit inclure le capital requis pour un moule si les pièces doivent être moulées par injection. Ces coûts doivent être inclus dans le volume prévu pour la durée de vie de la pièce.



L'usinage de pièces à partir de produits semi-finis élimine le besoin de moules, et avance considérablement la livraison des premières pièces. De plus, il offre à la fois des avantages en termes de performances et de dimensions grâce à une précision accrue.

Choix des matériaux

Lors se la sélection du plastique d'une nouvelle pièce, les exigences environnementales et d'application de la pièce doivent d'abord être prises en compte. Il faut considérer la température, les produits chimiques, la lumière du soleil, et les combiner aux exigences de l'application telles que la résistance à l'usure, la résistance mécanique, la transparence, etc. afin de réduire le nombre de matériaux possibles à un nombre gérable pour un examen ultérieur. Une application aérospatiale nécessitant un équilibre entre la résistance à haute température et la résistance aux chocs à basse température d'un composant structurel pourrait mener un concepteur au Torlon PAI. Ou une pièce pour les puits de pétrole et de gaz qui nécessite une inertie chimique à la vapeur à haute température pourrait amener un ingénieur à se mettre d'accord sur le PEEK comme résine. Les thermoplastiques tels que le PEI, PSU, PPSU, PPSU, PPSU, Acétals, Polycarbonate, Polyester et même Nylons sont souvent considérés pour des pièces performantes. Les réponses à certaines questions clés peuvent généralement limiter la liste à 1 ou 2 familles de matériaux.

  • - Ma pièce est-elle une pièce de roulement et d'usure, ou une pièce de structure?
  • - Quelle est la plage de température de fonctionnement prévue ?
  • - Y a-t-il des exigences en matière d'apparence (transparence, couleur, etc.))?
  • - Quels facteurs environnementaux spécifiques faut-il prendre en compte?
  • - Quelles sont les exigences minimales en matière de résistance
  • - La résistance aux chocs et/ou la ténacité sont-elles critiques?

Les réponses aux questions ci-dessus peuvent généralement vous mener à quelques familles de plastiques.

C'est maintenant que le processus de sélection des matériaux peut devenir délicat.

Chaque famille de matériaux se compose de nombreux grades et de viscosités qui sont plus importants pour l'ingénieur pendant la transformation. Une meilleure compréhension de la terminologie aide ceux qui conçoivent les pièces et qui sont habituellement aussi responsables de la description du matériau dans un dessin technique. Par exemple, Solvay fournit plus de 8 types de Torlon et plus de 10 types différents de PEEK. Chaque type a une composition légèrement différente et quelques viscosités différentes (poids moléculaires). Certains ont des compositions différentes et d'autres ont des viscosités différentes. Des additifs tels que les fibres de verre et de carbone, le graphite, le PTFE, les huiles, les cires et les minéraux sont inclus dans chacune des résines de base ci-dessus, pour améliorer certaines propriétés telles que la résistance mécanique et/ou la résistance à l'usure. Cette situation existe pour toutes les familles de résines, ce qui signifie que plusieurs centaines de candidats peuvent exister pour une pièce particulière.

Alors, comment choisir, et quand dois-je faire mon choix ?

Besoins de conception

Résistance et rigidité maximales

Faible frottement et résistance maximale à l'usure

Isolation thermique ou électrique

Résistance à la fatigue

Résistance chimique maximale

Stabilité dimensionnelle (faible coefficient de dilatation)


Grades

Renforcés de fibres de verre ou de carbone

D'usure contenant du PTFE et/ou du graphite.

Non chargés ou renforcés de fibres de verre

Non-renforcé, bas niveau de tension

Non renforcés

Renforcées de fibres de verre ou de carbone


C'est maintenant le bon moment pour faire une première sélection du grade, mais avant de le spécifier, il faut considérer la sélection du processus.

Sélection du processus

En général, la combinaison de la taille de la pièce finie et du volume prévu montre clairement que le moulage par injection ou l'usinage est le bon procédé.

Analyse des besoins

Grande taille de la pièce
Pièce de petit volume (<5 000/an)
Pièces difficiles à usine
Coûts les plus bas pour de grandes quantités.
Ténacité maximale / résistance aux chocs
Tolérances précises sans angle de dépouille
Design pas encore terminé
Processus

Usinage
Usinage
Moulage par injection
Moulage par injection
Usinage
Usinage
Usinage

Une fois que votre processus est connu, il est temps de demander des conseils à vos fournisseurs. Bien que de nombreux matériaux soient disponibles sous forme de produits semi-finis, tous les plastiques ne sont pas disponibles dans toutes les tailles. Les pièces extrudées sont presque toujours fabriquées à partir de plastiques ayant le poids moléculaire le plus élevé. Cependant, de nombreux ingénieurs indiqueront sur le dessin un faible degré de viscosité qui est en fait destiné au moulage par injection. Cela conduit presque toujours à des problèmes d'approvisionnement et/ou de coûts. Dans la nomenclature du Torlon, Torlon 4203L est le terme utilisé pour désigner les grades à faible viscosité (haut débit) destinés au moulage par injection. Les grades de viscosité plus élevée utilisés dans la fabrication de produits semi-finis ne portent pas la désignation "L". De nombreux dessins contiennent une référence au Torlon 4203L, mais les pièces sont destinées à l'usinage. Sous la désignation Victrex PEEK, les grades 150 ont une faible viscosité (débit plus élevé) et sont conçus pour le moulage par injection de pièces à paroi mince. Les grades 450 conviennent mieux aux produits semi-finis extrudés et aux pièces à paroi épaisse. Parfois, spécifier un grade 150 dans la description matérielle d'une pièce usinée, empêchera de suivre le dessin. Le même problème existe pour de nombreux autres matériaux, y compris l'acétal et les nylons.

Il est souvent difficile de trouver des grades renforcées de fibres de verre et de carbone pour des grandes pièces moulées ou des produits semi-finis de grande taille. Des mouleurs expérimentés examinent les sections transversales et la géométrie générale de la pièce, avant de décider du type de moule à utiliser. Il y a souvent 2 ou 3 viscosités au choix. Rappelez-vous toujours que les grades à faible viscosité remplissent rapidement le moule, mais que le produit final est plus fragile. L'équilibre entre les deux exigences fait partie du choix des matériaux.

Le moulage par injection est un moyen très rapide et efficace de produire des pièces en plastique, mais les coûts d'outillage initiaux doivent être justifiés. Aujourd'hui, les moules varient de 10.000 à 100.000 euros ou plus. Les qualités renforcées peuvent entraîner des difficultés dues à l'orientation des fibres, mais celles-ci peuvent presque toujours être surmontées en travaillant en étroite collaboration avec votre mouleur, qui a des années d'expérience dans l'anticipation du flux du moule et de la dépendance directionnelle des propriétés mécaniques qui en résulte. Des pièces semi-finies extrudées permettent un processus d'usinage très robuste, ce qui permet d'obtenir une rigidité et résistance maximales grâce à l'orientation de la pièce avec peu ou pas d'effort d'outillage ou de NRE. Le moulage par compression permet de fabriquer des pièces en certains plastiques non fusibles. Le PTFE, l'UHMW et presque tous les thermodurcissables sont des exemples de plastiques qui sont uniquement moulés par compression. Bien que la résistance mécanique et la rigidité de la plupart des plastiques moulés par compression soient inférieures à celles de leurs frères et sœurs, ils peuvent être plus stables sur le plan dimensionnel pendant l'usinage.

Parce que tous les produits semi-finis et toutes les dimensions ne sont pas produites de la même manière par tous les fabricants, les propriétés de résistance et de rigidité différentes peuvent en résulter, même avec la même qualité de matériau. Travailler en étroite collaboration avec l'opérateur de votre machine et le producteur des produits semi-finis est le moyen le plus fiable de s'assurer que vos pièces sont optimales et qu'elles fonctionnent parfaitement.

Les phases de production au cours de la durée de vie d'une pièce peuvent inclure à la fois l'usinage et le moulage. De nombreuses pièces sont d'abord produites par usinage lorsque le volume est faible et la conception est encore adaptable, et sont ensuite converties en moulage par injection une fois la conception est établie et le concept éprouvé. Les concepteurs et les ingénieurs d'approvisionnement doivent avoir de l'expérience dans toutes les phases de la production, ou devraient au moins travailler avec des fournisseurs qui ont une vaste expérience dans le traitement des polymères. Trop souvent, les concepteurs sont frustrés par la conversion de pièces usinées en pièces moulées. Ils espèrent que la performance restera la même. Hélas, l'orientation des fibres, la ténacité des pièces, les taux d'usure et la précision sont presque toujours différents. Même l'usinage d'un produit semi-fini ou d'une pièce moulée par injection peut produire des caractéristiques différentes. Comprendre ces différences dès le début du projet permettra d'éviter de mauvaises surprises aux phases ultérieures de la production.

Concevoir avec des polymères à haute performance lorsque la conception des pièces et des procédés est essentielle à la performance du système exige une expertise dans toutes les options de procédé envisagées. La combinaison unique d'extrusion, de moulage par injection et d'usinage chez Drake nous permet de toujours choisir le meilleur procédé pour une pièce spécifique, en tenant compte à la fois de l'économie et des performances.

Choisissez vos processus et vos processeurs en gardant soigneusement à l'esprit l'adage : Il n'y a pas de mauvais processus... mais il y a des processeurs et des ingénieurs mal informés qui ne se renseignent pas sur les exigences fonctionnelles, et ne modifient pas leur approche en matière de sélection des matériaux et des processus en fonction de ces informations importantes.