Guide de conception et du processus de moulage par injection LSR

Ce qui rend le moulage par injection LSR fondamentalement différent

Le moulage par injection de caoutchouc de silicone liquide (LSR) est un processus de fabrication de précision qui diffère du moulage par injection thermoplastique conventionnel dans presque tous les paramètres critiques. Alors que le moulage thermoplastique injecte un matériau chauffé dans un moule refroidi pour le solidifier, le moulage LSR fait le contraire : un composé de silicone liquide froid à deux composants est injecté dans un moule chauffé où il subit une réaction de réticulation par addition-durcissement et se vulcanise de manière permanente en une pièce élastomère flexible et durable. Cette inversion thermique (injection à froid dans un moule chaud) définit toute l'architecture de la machine, la philosophie de conception du moule et la stratégie de contrôle du processus nécessaires à une production LSR réussie. Comprendre ce renversement fondamental est le point de départ pour quiconque spécifie, exploite ou conçoit autour d’une machine de moulage par injection LSR.

Les composés LSR sont fournis sous forme de systèmes en deux parties : la partie A contient le polymère de base avec un catalyseur au platine et la partie B contient l'ensemble agent de réticulation et inhibiteur. Ces deux composants sont stockés séparément pour éviter un durcissement prématuré, dosés dans un rapport 1:1 par le système de dosage de la machine, mélangés dans un mélangeur statique immédiatement avant l'injection et livrés au moule dans un flux thermiquement conditionné et hautement contrôlé. L'ensemble du système de manutention et d'injection du matériau doit être maintenu à des températures comprises entre 5°C et 25°C pour éviter une gélification prématurée, tandis que le moule fonctionne simultanément entre 150°C et 220°C pour permettre un durcissement complet et rapide. La gestion de ce contraste thermique dans l’ensemble de la machine et du moule constitue le défi technique central du moulage par injection LSR.

Composants de base d'une machine de moulage par injection LSR

Un Machine de moulage par injection LSR est un système intégré comprenant plusieurs sous-systèmes qui doivent fonctionner en coordination précise pour fournir une qualité de pièce constante. Contrairement à une machine d'injection thermoplastique standard dans laquelle le cylindre et la vis effectuent la plastification et l'injection, l'unité d'injection de la machine LSR est spécialement conçue pour manipuler un liquide à deux composants à faible viscosité et thermiquement sensible. Chaque sous-système joue un rôle spécifique et non substituable dans le processus.

Système de dosage et de dosage à deux composants

Le système de dosage aspire la partie A et la partie B des fûts ou seaux d'alimentation à l'aide de plaques suiveuses qui maintiennent une pression constante sur la surface du matériau et empêchent l'entraînement de l'air. Les pompes à engrenages de précision ou les pompes doseuses à piston délivrent les deux composants simultanément à un rapport volumétrique de 1:1 contrôlé avec précision, avec une précision de rapport généralement maintenue à ± 1 % pour garantir une densité de réticulation et une dureté finale constantes. De nombreux systèmes intègrent également une ligne de dosage de pigments : un troisième flux de dosage qui introduit le mélange maître de couleur ou des additifs fonctionnels dans la tête de mélange à des taux programmables, permettant une production multicolore ou dosée d'additifs sans préparation manuelle du composé. Les capteurs de pression et les débitmètres répartis dans tout le circuit de dosage fournissent un retour d'information en temps réel qui déclenche des alarmes et arrête la machine si une dérive du rapport ou des anomalies de débit sont détectées.

Système de mélange statique et de canaux froids

Après le dosage, les deux composants passent à travers un mélangeur statique jetable, un tube contenant une série d'éléments de mélange hélicoïdaux qui divisent et recombinent progressivement les flux de matériaux jusqu'à ce qu'un mélange homogène complet soit obtenu, généralement entre 20 et 40 éléments de mélange en fonction de la viscosité du composé et de la qualité souhaitée du mélange. Le composé mélangé entre ensuite dans le système de canaux froids du moule, qui est un collecteur isolé thermiquement maintenu à la même température froide que le cylindre d'injection (généralement en dessous de 20 °C) à l'aide de circuits de refroidissement par eau qui fonctionnent indépendamment du contrôle de température du moule chaud. Le canal froid retient le LSR non durci entre les tirs, évitant ainsi le gaspillage de matériau et permettant un déblocage automatique puisque la carotte de coulée et les canaux froids restent liquides et sont rétractés avec l'ouverture du moule, ne laissant aucun déchet de canal durci à couper ou à recycler.

Baril d'injection et vis alternative

Le barillet d'injection reçoit le composé LSR mélangé du collecteur à canaux froids et utilise une vis alternative à faible compression pour accumuler une dose de matériau et l'injecter dans les cavités du moule. Contrairement aux vis thermoplastiques, qui sont conçues pour générer de la chaleur par cisaillement, les vis d'injection LSR ont des taux de compression très faibles (généralement de 1:1 à 1,2:1) et sont conçues pour transporter le matériau avec un échauffement minimal par cisaillement afin d'éviter de déclencher un durcissement prématuré dans le canon. L'ensemble du barillet est entièrement refroidi par eau pour maintenir la température du matériau en dessous du seuil d'activation du catalyseur au platine. La précision de la taille des injections est essentielle dans le moulage LSR car le matériau a une très faible viscosité et s'étalera même sur de petits espaces si le volume de la injection dépasse le volume de la cavité. La pression d'injection typique pour le LSR varie de 100 à 250 bars, ce qui est considérablement inférieur aux pressions d'injection des thermoplastiques.

Principes de conception de moules spécifiques au traitement LSR

La conception des moules LSR suit des principes qui sont à bien des égards l’inverse de la conception des moules thermoplastiques. Étant donné que le LSR rétrécit légèrement lors du durcissement (généralement un retrait linéaire de 2 à 4 % en fonction du composé et des conditions de durcissement) et a une viscosité extrêmement faible à l'état non durci, le moule doit être conçu avec des tolérances de plan de joint plus strictes, des stratégies de ventilation plus agressives et une architecture thermique qui favorise un durcissement rapide et uniforme dans toute la cavité. La construction de moules utilise généralement de l'acier à outils trempé de qualité P20 ou H13, avec des surfaces de cavité polies à Ra 0,05 µm ou mieux pour obtenir la finition de surface requise sur les pièces LSR médicales, optiques ou grand public.

Tolérances des lignes de séparation et prévention des bavures

La faible viscosité du LSR (généralement entre 50 000 et 300 000 mPa·s à la température d'injection) signifie qu'il pénètre dans des espaces aussi petits que 0,004 mm à la pression d'injection, produisant ainsi des bavures extrêmement fines, difficiles à découper et inacceptables dans les applications de précision. Les surfaces des lignes de joint doivent être meulées à plat jusqu'à 0,005 mm près de la face du moule, et la force de serrage doit être suffisante pour maintenir la ligne de joint fermée contre la pression de la cavité tout au long de l'injection et du durcissement. La force de serrage requise est calculée en fonction de la surface projetée de la pièce et de la pression maximale de la cavité, avec un facteur de sécurité typique de 1,5 à 2 appliqué. Pour un moule LSR multi-empreintes produisant de petits composants médicaux, des forces de serrage de 50 à 150 tonnes sont courantes, même pour les machines avec des tailles de tir modestes.

Stratégie de ventilation pour l'évacuation de l'air

L'air emprisonné dans les cavités du moule LSR ne peut pas s'échapper à travers le matériau, comme c'est le cas dans certains procédés thermoplastiques où le gaz est absorbé dans la masse fondue. L'air emprisonné dans le LSR produit des vides, un remplissage incomplet et des défauts de surface particulièrement visibles dans les composés LSR transparents ou translucides. Deux stratégies de ventilation sont utilisées dans la conception des moules LSR : une ventilation passive via des évents de ligne de joint rectifiés avec précision de 0,003 à 0,005 mm de profondeur placés aux emplacements de dernier remplissage, et une ventilation sous vide active dans laquelle une pompe à vide évacue les cavités fermées du moule via des canaux de ventilation dédiés immédiatement avant l'injection. Le moulage LSR assisté par vide est obligatoire pour les pièces à géométrie complexe, les parois minces inférieures à 0,5 mm ou les applications où l'absence de vide est une exigence de qualité, comme dans les composants médicaux implantables.

Conception thermique et disposition du système de chauffage

Une température de moule uniforme est essentielle pour un taux de durcissement constant dans toutes les cavités, en particulier dans les outils multi-empreintes où la variation de température entre les cavités produit des pièces avec une dureté, un retrait et des propriétés mécaniques différentes. Les cartouches chauffantes électriques constituent la méthode de chauffage la plus courante pour les moules LSR. Elles sont installées selon des configurations précisément localisées qui permettent d'obtenir une uniformité de température de ±3°C sur la surface de la cavité lorsqu'elles sont mesurées dans des conditions de production stables. Les contrôleurs de température de moule dédiés au service LSR maintiennent une précision du point de consigne de ± 1 °C et répondent rapidement à l'extraction de chaleur provoquée par l'injection de LSR froid contre la surface chaude du moule à chaque cycle. Le placement du thermocouple à moins de 5 mm de la surface de la cavité (plutôt que dans le fond du moule) offre un retour plus représentatif de la température de la cavité et un contrôle plus strict.

Paramètres clés du processus et leur effet sur la qualité des pièces

Contrôler le processus de moulage par injection LSR afin de produire des pièces cohérentes et sans défauts nécessite de comprendre comment chaque paramètre du processus influence le résultat final. Le tableau suivant résume les paramètres critiques, leurs plages de fonctionnement typiques et les attributs de qualité qu'ils affectent principalement :

Le temps de durcissement est particulièrement important car les pièces LSR sous-durcies se déchirent lors du démoulage, tandis qu'un durcissement excessif gaspille considérablement le temps de cycle sans améliorer de manière significative les propriétés mécaniques une fois la densité de réticulation complète atteinte. Le temps de durcissement minimum pour une température de moule donnée est établi par une étude de durcissement au cours de laquelle les pièces sont démoulées à des intervalles progressivement plus courts et testées pour leur résistance à la déchirure et leur déformation sous compression jusqu'à ce que le temps de durcissement minimum acceptable soit identifié. En production, une marge de sécurité de 10 à 15 % est ajoutée au temps de durcissement minimum pour tenir compte des variations normales du processus.

Conception de pièces LSR pour la moulabilité et les performances

La conception des pièces pour le moulage par injection LSR nécessite de prendre en compte la combinaison unique du matériau : élasticité élevée, faible module et retrait de polymérisation important. Plusieurs règles de conception s'appliquent spécifiquement au LSR et diffèrent des directives de conception en caoutchouc de silicone thermoplastique et moulé par compression :

• Uniformité de l’épaisseur de paroi : Le LSR s'écoule facilement en sections minces, mais une épaisseur de paroi très non uniforme produit des taux de durcissement différentiels et des contraintes résiduelles qui provoquent un gauchissement après le démoulage. Le maintien de la variation de l'épaisseur de paroi dans un rapport maximum de 3:1 (et idéalement de 2:1) sur l'ensemble de la pièce minimise cet effet. Les transitions entre les sections épaisses et minces doivent être progressives avec un rayon plutôt que des étapes brusques.
• Angles de dépouille pour le démoulage : Bien que la grande élasticité du LSR signifie qu'il peut être étiré sur les contre-dépouilles et retiré du moule, les angles de dépouille de 3° à 5° par côté sur les murs intérieurs réduisent la force de démoulage requise et prolongent la durée de vie du moule. Pour les surfaces texturées ou collées, des angles de dépouille plus élevés de 5° à 10° sont recommandés pour éviter la déchirure de la texture de la surface lors de l'éjection de la pièce.
• Emplacement et taille du portail : Les portes LSR doivent être situées au niveau de la section transversale la plus épaisse de la pièce pour permettre au matériau de s'écouler de l'épaisseur à l'épaisseur, réduisant ainsi le risque de tirs courts dans les détails fins. Les portes de tunnel et les portes à broches se détachent automatiquement dans le LSR en raison de la récupération élastique du matériau, ce qui les rend préférées aux portes de bord qui laissent des marques témoins nécessitant une coupe manuelle.
• Compensation du retrait dans les dimensions de la cavité : Le LSR rétrécit de 2 à 4 % linéairement après le démoulage et le post-durcissement, et les dimensions de la cavité doivent être agrandies du retrait attendu pour atteindre les dimensions cibles de la pièce. Le retrait varie en fonction du duromètre du composé, de la température de durcissement et de la géométrie de la pièce. Les essais initiaux de l'outil sont donc essentiels pour calibrer le retrait réel pour chaque composé spécifique et conception de moule avant la finalisation de l'outil.

Défauts courants dans le moulage LSR et leurs causes profondes

Même avec des moules bien conçus et des machines correctement configurées, le moulage par injection LSR est susceptible de présenter un ensemble de défauts récurrents qui nécessitent un diagnostic systématique et un ajustement du processus pour être résolus. Identifier la cause première de chaque défaut, qu'il s'agisse de la machine, du moule, du matériau ou des paramètres du processus, est essentiel pour mettre en œuvre une action corrective efficace plutôt que de masquer le symptôme avec des changements de paramètres compensatoires.

• Flash : Le défaut LSR le plus courant, provoqué par une pression d'injection excessive, une force de serrage insuffisante, des surfaces de plan de joint usées ou hors tolérances, ou une déflexion du moule sous la pression de l'empreinte. Les actions correctives comprennent la vérification de l'adéquation de la force de serrage, le réaffûtage des surfaces des lignes de joint, la réduction de la vitesse et de la pression d'injection, ainsi que la vérification de la planéité de la plaque de moule et de l'état du pilier de support.
• Plans courts et remplissage incomplet : Causé par un volume de tir insuffisant, des évents bloqués, un emprisonnement d'air ou un matériau partiellement gélifié dans le canon ou le canal froid en raison d'une excursion de température. La vérification et le nettoyage des canaux de ventilation, la vérification des températures du canon et des canaux froids et l'augmentation légère du volume de tir sont les premières étapes du diagnostic.
• Déchirure lors du démoulage : Indique un sous-durcissement dû à un temps de durcissement insuffisant ou à une basse température du moule. Prolonger le temps de séjour ou augmenter la température du moule de 5 à 10 °C résout la plupart des problèmes de déchirure. Une déchirure persistante sur une géométrie complexe peut indiquer un problème de conception de moule dans lequel la géométrie de la pièce crée des concentrations de contraintes lors de l'éjection qui nécessitent une modification de la conception.
• Variation de dureté entre cavités : Causé par une température de moule non uniforme à travers la plaque d'empreinte, qui produit des taux de durcissement différents dans différentes cavités. La cartographie des thermocouples de la surface du moule pendant la production identifie les zones chaudes et froides, et des ajustements de placement du chauffage ou de distribution d'énergie sont effectués pour obtenir une uniformité thermique conforme aux spécifications.