- Moulage par injection de mousse à haute pression
- Cellmould: le concept de la machine
- Quels sont les potentiels du moulage par injection de mousse à haute pression?
- Surfaces brillantes grâce à la trempe dynamique du moule
- Les élastomères conviennent également au moussage
- Papier technique de Wittmann Battenfeld
Le design léger est une tendance de plus en plus répandue dans tous les secteurs de l’industrie manufacturière. Dans ce domaine, les plastiques jouent un rôle essentiel grâce à leur relation favorable entre les données de performance et le faible poids spécifique. Mais leur potentiel de légèreté peut encore être augmenté par moussage, par exemple par moulage par injection de mousse. L’un des pionniers dans ce domaine est le fabricant autrichien de machines de moulage par injection Wittmann Battenfeld. Son procédé haute pression à moulure cellulaire offre des paramètres de performance relativement supérieurs ainsi qu’une technologie de système moins complexe et par conséquent plus robuste par rapport à ses concurrents. Il s’agit d’un développement 100% interne et sert de base à un certain nombre d’applications nouvelles et innovantes, telles que des solutions pour l’amélioration de la qualité de surface, y compris la brillance élevée, pour la combinaison partielle de composants compacts avec des composants moussés dans une seule pièce moulée et pour le moussage d’élastomères thermoplastiques. Ces solutions ont été développées en coopération avec la société technologique bavaroise Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Les pièces en mousse structurées avec des surfaces brillantes sont le résultat d’un projet de développement conjoint des sociétés Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Autriche et Schaumform, Hutthurm, Allemagne
La technologie de moulage par injection de mousse n’est pas un processus nouveau. Des applications dans lesquelles des substances chimiques telles que l’azodicarbonamide ou le phényltétrazole sont mélangées au granulat plastique et plastifiées avec celui-ci, qui libèrent des gaz propulseurs après injection dans la cavité du moule, sont connues et utilisées en production depuis environ 50 ans. La pression de détente de ces gaz libérés chimiquement n’étant pas supérieure à environ 15 à 40 bars, leur utilisation est limitée aux pièces à parois relativement épaisses avec des trajets d’écoulement courts.
Pour étendre encore les limites d’application du moulage par injection de mousse, le moussage par addition d’un gaz inerte, généralement de l’azote, a été développé il y a environ 40 ans. Le principal avantage est que des pressions de dilatation plus élevées de l’ordre de 100 à 200 bars peuvent être atteintes avec de l’azote. Cela permet d’exploiter le potentiel de conception légère dans le moulage par injection de mousse pour les composants à paroi mince et les composants à longs trajets d’écoulement. Les avantages en plus de la réduction de poids sont une réduction de la pression d’injection spécifique requise pour remplir les cavités et par conséquent de la force de serrage, et une compensation des effets de retrait et de gauchissement. Les deux procédés sont utilisés dans le traitement des résines thermoplastiques, du PP aux plastiques techniques tels que le PC, le PA ou le PBT. Les développements les plus récents et prometteurs visent à étendre les domaines d’application aux élastomères thermoplastiques.
Moulage cellulaire: le concept de la machine
La tâche essentielle d’une ligne de moulage par injection de mousse est de générer une solution monophasée polymère-gaz dispersée de la manière la plus homogène possible pendant le processus de plastification. La technologie utilisée par tous les fournisseurs à cette fin est très similaire. Néanmoins, il existe quelques différences dans les détails de la conception technique. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, Responsable de la Technologie des applications chez Wittmann Battenfeld, le dit ainsi: « Les plus de 40 ans d’expérience pratique avec la technologie développée chez notre prédécesseur Battenfeld, Meinerzhagen, nous ont fourni une base solide sur laquelle nous pouvons nous appuyer. Notre objectif était de réduire la complexité du système tout en élargissant simultanément les domaines d’application et en le rendant ainsi plus fiable. C’est pourquoi nous avons conçu notre unité d’injection de mousse de moulage cellulaire pour se rapprocher le plus possible de l’unité d’injection standard. En conséquence, notre machine fonctionne avec une vis standard de 20 D, qui a été prolongée à l’avant par l’ajout d’une section de mélange de 5 D. »
La caractéristique spécifique de Battenfeld de la technologie des moules à cellules est la séparation entre les sections de plastification et d’injection de gaz de la vis, qui est assurée par une barrière cylindrique fixe sur la vis. C’est l’alternative à l’utilisation d’un clapet anti-retour supplémentaire de type manchon. Wolfgang Roth ajoute: « Les efforts déployés pour ajuster dans tous les cas deux clapets anti-retour aux conditions de fonctionnement afin de les rendre sûrs, c’est-à-dire résistants à l’usure, nous ont motivés à rechercher une solution plus simple, que nous avons finalement trouvée dans la barrière entre les sections de plastification et d’injection de gaz de la vis. Cette solution a fait ses preuves en production pour toutes les tailles de machines. De cette manière, le problème d’usure pourrait être éliminé sans avoir à compromettre de manière significative la densité de gaz en direction de la section de plastification de la vis. »
Dans la section de mélange de l’unité de plastification, de l’azote liquéfié (sous pression jusqu’à 300 bars) est ajouté dans la masse fondue plastique par un injecteur lors d’une course de dosage et diffuse ensuite dans la masse fondue. Dans la section de mélange de la vis, la distribution de l’azote est intensifiée en divisant le flux de fusion en de nombreux courants distincts. » (Figue.2) Étant donné que le canon est maintenu fermé par une vanne d’arrêt à aiguille en direction du moule pendant la plastification et l’injection de gaz, le mélange fondu et gazeux est maintenu sous pression à l’intérieur de l’unité de plastification. Par conséquent, une solution polymère / gaz monophasée est obtenue à la fin du processus de mélange. Lors de l’injection dans la cavité, il est soumis à une diminution de pression, ce qui réduit la solubilité du gaz dans la matière plastique fondue. Le gaz finement distribué nuclée dans la masse fondue et fournit ainsi l’ingrédient pour former une structure de mousse avec des cellules tout aussi finement réparties.
La saisie des paramètres et le contrôle du processus s’effectuent directement via le système de commande de la machine géométrie de la barrière – buse d’arrêt neeedle – injecteur de manomètre de clapet anti-retour 1 – injecteur du dispositif de dosage 1
Fig.2: L’unité de plastification du moule à cellules: ses composants principaux sont un canon de 25 D avec une vis de plastification à 3 zones de 20 D et une zone d’injection et de mélange de gaz 5D ultérieure. Les deux zones fonctionnelles de la vis sont séparées par une bague de retenue cylindrique (barrière).
La formation de cette structure dépend des conditions spécifiques du processus de moulage par injection. Il s’agit notamment de la viscosité de la matière fondue, de la vitesse d’injection (plus la vitesse est élevée, plus la mousse est fine) et enfin du degré de moussage prédéfini (réduction de la matière). Ce dernier est réglé soit en injectant un sous-dosage correspondant dans une cavité fixe, soit en remplissant complètement une cavité et en l’ouvrant ensuite avec une course de haute précision prédéfinie. Afin d’atteindre la vitesse d’injection élevée qui favorise une distribution uniforme de la mousse, un accumulateur d’injection est fourni dans le cadre de l’ensemble d’équipement de moulage cellulaire (Fig. 3a + 3b).
Fig.3a & 3b : Les composants de la ligne Cellmould sont disponibles en configuration identique pour toute la gamme des machines Wittmann Battenfeld, illustrée ici par l’exemple d’un modèle de machine 110 t. Un injecteur de gaz connecté à un module de contrôle de débit de gaz compact est placé au-dessus du canon.
En plus de l’injecteur de gaz et du module de contrôle du débit de gaz, l’ensemble d’équipements de moulage cellulaire comprend également un accumulateur d’injection sur la machine (centre de la photo) et un générateur d’azote central associé à un groupe compresseur.
L’azote est soit aspiré dans une batterie de cylindres sous pression, soit extrait de l’air ambiant par un générateur d’azote. Dans les deux cas, le gaz est ensuite transmis à l’injecteur de gaz par l’intermédiaire d’un générateur de pression tel qu’il est également utilisé dans les lignes d’injection de gaz de moulage pneumatique. Une partie du concept de la ligne Battenfeld est que plusieurs machines peuvent être alimentées simultanément par un seul système d’alimentation en gaz (Fig.4). Un régulateur de débit de gaz est placé entre le générateur de pression et l’injecteur de gaz sur l’unité de plastification. Grâce à son système de vannes contrôlables, le débit de gaz est contrôlé et coordonné avec le processus par le logiciel Cellmould (Fig.5). Le pack d’équipements de moulage cellulaire est disponible pour l’ensemble du portefeuille de machines Wittmann Battenfeld.
Fig.4: La configuration de la ligne de moulage cellulaire. Le concept est conçu pour avoir une ou plusieurs unités de plastification alimentées en gaz par un générateur d’azote central comprenant un groupe compresseur. Un régulateur de débit de gaz contrôlé par le logiciel Cellmould et un injecteur de gaz sont connectés à chaque unité de plastification pour mesurer l’azote liquide dans le baril.
Fig.5: La grande convivialité et la transparence des processus étaient des priorités absolues dans le développement des processus. En conséquence, tous les paramètres de processus peuvent être réglés, surveillés et enregistrés via le système de contrôle de la machine.
Quels sont les potentiels du moulage par injection de mousse à haute pression?
À l’intérieur de la cavité du moule, la formation de mousse dans l’enveloppe extérieure de la masse fondue est largement supprimée en raison de son contact avec la paroi de la cavité refroidie et de l’augmentation de viscosité qui en résulte, tandis que la zone centrale plus chaude favorise la formation de la structure cellulaire. De cette manière, des « structures sandwich » sont formées dans les parties principales de la pièce moulée, constituées de couches de recouvrement à haute densité et de parties de noyau, dont la densité apparente est inférieure de 5 à 20% (Fig. 6 bis + b).
Fig. 6a & 6b: Pièces en plastique légères avec une enveloppe extérieure compacte et un noyau en mousse structuré, ici illustré par l’exemple d’un composant de boîtier en PP avec une épaisseur de paroi de 3 mm.
La réduction de densité possible dans la pièce moulée montre une corrélation directe avec le rapport chemin d’écoulement / épaisseur de paroi pour tous les types de matières plastiques couramment disponibles. Dans le traitement du PP, par exemple, une réduction de densité de 15% peut être obtenue à un rapport de 100: 1, tandis qu’à 150: 1, une réduction de densité de seulement 10% peut être attendue.
Outre la réduction de poids, le moulage par injection de mousse offre un potentiel supplémentaire d’amélioration de la qualité des pièces moulées, principalement en ce qui concerne le retrait et le gauchissement, grâce à l’effet uniforme de la pression d’expansion à l’intérieur du noyau en mousse. Cet effet est si fort que les marques d’enfoncement et le gauchissement causés par le rétrécissement peuvent être pratiquement éliminés à 100%, augmentant ainsi la précision dimensionnelle globale. Les transformateurs bénéficieront également de plusieurs avantages technologiques significatifs, tels qu’une réduction de la force de serrage requise jusqu’à 50% du fait d’une diminution de la viscosité à l’état fondu et par conséquent de la pression d’injection, ainsi que des avantages commerciaux par une réduction du temps de cycle, en particulier du temps de refroidissement, grâce à la masse plus faible de la pièce moulée à refroidir.
Surfaces brillantes grâce à la trempe dynamique du moule
Malgré l’exploitation de toute la gamme de variations de paramètres offertes par le procédé de moulage par injection de mousse, les pièces légères présentent toujours des stries caractéristiques ou une formation de buée grise sur la surface comme attribut commun. Cet effet de surface est dû aux bulles de gaz pénétrant dans le front d’écoulement de la masse fondue pendant le processus d’injection. Cette structure se solidifie alors au contact de la paroi de la cavité du refroidisseur et reste ensuite inchangée. Les surfaces polies, telles que celles requises pour les parties visuelles des composants du boîtier, ne peuvent pas être obtenues avec une technologie standard. Cependant, une amélioration substantielle de la qualité de surface peut être obtenue par une combinaison de moulage par injection de mousse avec un revenu de moule cyclique et dynamique, comme le propose par exemple Wittmann Battenfeld sous la forme de la technologie BFMold et Variomould. Ces variantes utilisent un système de refroidissement intégré dans le moule pour améliorer la surface visible de la pièce moulée, en suivant le contour de la pièce et en fonctionnant de manière cyclique avec des régulateurs de température chaud / froid. Ce système contrôle la température de zones de moule limitées proches de la cavité. En chauffant la paroi de la cavité, par example avec de l’eau sous pression chauffée jusqu’à 180 °C immédiatement avant l’injection de la masse fondue à teneur en gaz, le matériau n’entre pas d’abord en contact avec une paroi de cavité froide, de sorte qu’une surface fermée peut se former avant qu’elle ne se solidifie (Fig. 7). De cette manière, une excellente qualité de surface peut être obtenue, ce qui est comparable à celui des pièces en plastique compactes. La comparaison entre des pièces avec et sans refroidissement dynamique, comme illustré à la Fig. 8, montre à quel point l’effet de la trempe dynamique du moule peut influencer la qualité de la surface. »
Fig.7: Moule avec système de refroidissement variothermique dynamique pour produire un panneau de boîtier à partir d’un mélange PC / ABS avec une surface brillante.
Fig.8: Panneau décoratif en mélange PC / ABS, à gauche fabriqué avec un refroidissement dynamique actif, à droite sans activer la trempe dynamique du moule.Les élastomères
conviennent également au moussage Le moulage par injection de mousse
peut également être étendu aux élastomères thermoplastiques. Alors que de bonnes structures de mousse peuvent être obtenues par moussage chimique et physique, par exemple avec du polypropylène et du polyamide, notre série de tests a révélé que la plupart des types de TPE ne peuvent être moussés que par moulage par injection de mousse physique. Et seuls les TPE à base de polyester thermoplastique donnent des résultats acceptables en termes de structure de la mousse, de finesse des cellules et de régularité. Des tests ont montré que plus une formulation de TPE est douce, plus les problèmes de surface apparaîtront lors du moussage, en particulier si le moulage par injection de mousse est combiné à une ouverture de moule de haute précision. Surtout lorsque la cavité est polie ou même polie à haute brillance, la surface présente souvent de nombreuses bosses. Plusieurs explications différentes ont été proposées à ce phénomène. La première est que de l’air est déjà enfermé entre la partie moulée et la paroi de la cavité pendant le remplissage de la cavité, qui ne peut s’échapper. Une hypothèse alternative est que l’ouverture de haute précision entraîne une séparation de la partie en mousse de la paroi de la cavité, et que la partie en mousse expansible, lorsqu’elle entre à nouveau en contact avec la paroi de la cavité, enferme de l’air ou du gaz plastique à certains endroits, ce qui provoque alors les bosses. »
Les séries d’essais ont montré que, contrairement aux matériaux thermoplastiques techniques rigides et solides, les problèmes de surface dans le traitement des TPE peuvent être considérablement réduits en utilisant des vitesses d’injection moyennes à faibles. Des effets également positifs peuvent être obtenus en structurant la paroi de la cavité. Une surface texturée, sablée ou grainée permet à toute bulle potentielle de gaz ou d’air de s’échapper via des micro-canaux dans la surface de contact entre la pièce moulée et la paroi de la cavité.
En ce qui concerne les stries de surface, les mêmes principes s’appliquent généralement qu’en moulage par injection de mousse avec des plastiques techniques. Ici, la solution consiste également à utiliser un revenu dynamique autour des contours de la face visible. Si une ouverture de haute précision est appliquée simultanément, un rembourrage en mousse souple de haute qualité, par exemple pour les accoudoirs dans la construction de véhicules, ou des amortisseurs pour les appareils portatifs qui doivent être protégés contre les dommages causés par les chutes, peut être produit à faible coût. Cette question sera examinée plus en détail dans un rapport distinct dans l’un des prochains numéros.
Avec une technologie innovante de moulage et de machine pour une large application
Il a déjà été mentionné dans le cadre de l’amélioration de la surface que la technologie innovante de moulage joue un rôle essentiel dans le moulage par injection de mousse. Un autre domaine de la technologie des moules et des machines spécialement adapté au moulage par injection de mousse est le système d’ouverture partielle du moule via la machine de moulage par injection, qui permet de combiner des composants compacts avec des composants en mousse dans une seule pièce moulée par injection. Cela est nécessaire lorsque des éléments fonctionnels en matériau plutôt compact, tels que des crochets, des ressorts ou des boulons, doivent être combinés avec des composants de panneaux en matériau moussé. Pour cela, la partie de la cavité à mousser autour de la course moussante est rendue mobile. Dans une première étape, la totalité de la cavité de la pièce moulée est remplie comme cela se fait pour une pièce moulée compacte. Par la suite, seule la pièce à mousser est ouverte par une course de haute précision. De cette manière, des composants de boîtier avec des interfaces mécaniques complexes avec des composants partenaires peuvent également être réalisés dans une conception légère.
Les valeurs clés mécaniques peuvent être prédites de manière fiable
Les pièces moulées par injection de mousse à haute pression ont une structure sandwich caractéristique avec des couches de recouvrement compactes et une couche centrale en mousse. La limite entre la couche de recouvrement et l’âme est relativement abrupte. Dans les composants de faible épaisseur, la couche d’âme a une densité pratiquement constante sur toute la largeur de l’âme, tandis que dans le cas d’une épaisseur totale importante, un profil de densité caractéristique est présent. La mise en oeuvre du procédé a tout aussi peu d’influence sur la densité de la couche de recouvrement compacte que le type d’injection de gaz choisi. Par conséquent, les paramètres de conception les plus importants sont la réduction de la densité conçue pour la partie centrale et l’épaisseur de la paroi. Ceux-ci peuvent être clairement définis par les résultats de mesure et servir de chiffres clés pour un modèle de calcul développé par le Dr Norbert Müller, le fondateur de Schaumform, dans le cadre de sa thèse pour prédire les attributs mécaniques des composants.
Conception de processus basée sur un calcul de modèle
Le point de départ du calcul de modèle est une structure sandwich symétrique, dans laquelle, en termes légèrement simplifiés, les valeurs de matériau spécifiques du matériau compact sont supposées pour les couches de recouvrement. Pour le noyau expansé, des valeurs clés proches de la réalité sont supposées pour le module E et la contrainte de rupture (contrainte de rendement pour les matériaux ductiles). Le comportement du noyau expansé est dérivé du comportement de l’ensemble du composant sandwich, qui fonctionne bien si l’épaisseur des couches de recouvrement est connue. Des essais dans lesquels le noyau expansé est extrait d’un composant et ensuite testé mécaniquement sont possibles, mais conduisent à des résultats de mesure fortement dispersés, qui n’ont par conséquent qu’une signification très limitée.
La théorie et la pratique sont cohérentes
La méthode optimale pour tester la rigidité et la résistance consiste à utiliser des barres d’essai standard fabriquées à partir de feuilles de mousse structurées moulées par injection. Sinon, si cette option n’est pas disponible, des tiges d’essai standard avec une section transversale de 4 x 10 mm (par exemple des tiges de tension campus) peuvent être utilisées. Cependant, lors de l’analyse des valeurs de mesure, il faut tenir compte du fait que non seulement les couches de recouvrement de 10 mm de large des tiges standard sont compactes, mais également les surfaces latérales de 4 mm de profondeur. Par conséquent, une tige de tension standard en mousse est comparable à un petit tube rectangulaire (10 x 4 mm) d’env. épaisseur de paroi de 0,4 à 1,0 mm et noyau en mousse.
Comme on peut s’y attendre, l’évaluation des essais de traction montre que lorsque la proportion de mousse augmente, le module d’élasticité en traction et la résistance à la traction diminuent en conséquence. Cela est dû au fait que seule la quantité de matériau encore contenue dans le composant peut résister à des contraintes mécaniques ou contribuer à la charge. Ainsi, les produits moulés par injection de mousse présentent un taux d’expansion plus élevé lorsqu’ils sont exposés à la même charge et se cassent sous une charge maximale plus faible. À cela s’ajoutent les effets d’entaillage causés par les cellules de mousse proches de la couche de recouvrement. Les résultats de mesure montrent régulièrement que la baisse de la résistance à la traction est invariablement au moins égale à la réduction du poids de la pièce. (Figue.9)
résistance à la traction (N/mm2) – résistance aux chocs charpy (kJ/m2) – déformation à la rupture (%) – PP compact
Fig.9: Variation de la résistance à la traction, de la résistance aux chocs et de la déformation à la rupture du PP-SGS 40 en fonction du pourcentage de moussage (0, 5, 10, 15%)
résistance à la traction (N / mm2) – résistance aux chocs charpy (kJ / m2) – déformation à la rupture (%) – PP compact
Sous charge de flexion, les valeurs absolues de résistance à la flexion et de résistance à la flexion sont également réduites. Cependant, les structures sandwich étant beaucoup plus résistantes à ce type de charge, la perte de résistance est ici nettement inférieure à celle de la traction. La résistance à la flexion diminue d’un pourcentage inférieur au poids de la pièce. Sur les figures 10 et 11, il est documenté que, par example, avec un degré de moussage de 15%, la rigidité par rapport au poids a augmenté de 4,8% par rapport à la pièce compacte sans mousse ou, en d’autres termes, il est possible de réaliser des composants rigides avec un poids inférieur.
désignation de l’axe – poids rel. à la rigidité – poids résiduel
Fig.10: Le changement de la résistance à la flexion, l’attribut le plus important pour les composants du boîtier. La résistance à la flexion par rapport au poids des échantillons d’essai ne diminue que légèrement avec une mousse de 5%, alors qu’elle reste égale à la partie compacte avec une mousse de 10%, et montre même une augmentation notable avec une réduction de densité de 15%.
résistance à la flexion par rapport au poids mesuré calculé
Fig.11: Une comparaison entre la résistance à la flexion liée au poids selon le calcul du modèle (Schaumform) et les résultats des mesures sur des tiges de cintrage moulées par injection de section transversale de 10 x 7 mm montre une congruence bonne à excellente.
Résumé
La technologie de moulage par injection de mousse a reçu un nouvel élan innovant en raison de la tendance croissante vers des applications légères. Les innovations les plus récentes concernent les méthodes d’amélioration de la qualité de surface dans le sens de la brillance élevée, ainsi que la combinaison de segments compacts et moussés dans une seule pièce moulée. Les contributions les plus importantes ont été apportées par les développements ultérieurs de la technologie des procédés et des moules, allant du revenu dynamique des moules à l’ouverture de haute précision de moules entiers ou de segments de cavité en une ou plusieurs étapes. Les calculs de modèles éprouvés, qui sont maintenant généralement disponibles, offrent un potentiel supplémentaire d’assistance dans la conception et la mise en page des pièces. Dans l’ensemble, le procédé de moulage par injection de mousse a ainsi atteint un degré de maturité tout aussi élevé que le traitement conventionnel par moulage par injection. Il offre des réductions de densité précises et répétables et des structures sandwich pour une gamme sans cesse croissante de matières plastiques, y compris les élastomères thermoplastiques.