Dans le monde de la fabrication, les matrices sont des héros méconnus qui donnent forme à d'innombrables produits. Cependant, il serait erroné de croire que toutes les matrices se valent. C'est comme la différence entre les outils utilisés pour façonner le métal et ceux employés pour façonner le plastique : ce sont en réalité deux réalités très différentes, conçues pour répondre à des comportements des matériaux et à des exigences de fabrication distinctes. Il est essentiel pour les ingénieurs, les designers et les fabricants de connaître les principales différences entre les matrices d'emboutissage métallique et les matrices de transformation des plastiques.
1. La difficulté fondamentale : comportement des matériaux
Matrices d'estampage métallique : Ces matrices présentent un problème de déformation plastique à l'état solide. Une tôle ou une bobine métallique (par exemple, acier, aluminium, cuivre) est placée entre les composants de la matrice. L'utilisation d'une pression importante (en tonnes) force le métal à se déformer de manière permanente, il se plie, s'étire, se coupe ou s'emboutit selon une forme possible sans fondre. L'objectif ici est de surpasser la limite élastique du métal et de gérer le ressort (c'est-à-dire la tendance du métal à retrouver partiellement sa forme initiale lorsqu'il est contraint à conserver une nouvelle forme).
Les moules pour le traitement des plastiques : ils fonctionnent avec des matériaux fondus ou très ramollis. Les granulés de plastique sont fondus jusqu'à ce qu'ils puissent s'écouler comme un liquide visqueux. Ce matériau fondu est ensuite injecté sous pression ou forcé dans une cavité de moule. Le plastique se solidifie dans le moule et prend sa forme finale. Cela s'explique par les difficultés rencontrées lors de la maîtrise de la dynamique d'écoulement, pour garantir un remplissage complet de la cavité, contrôler le processus de refroidissement de manière à minimiser les défauts (comme les retraits ou les déformations) et permettre l'éjection facile de la pièce solidifiée.
2. Priorités en matière de conception et de construction des moules
Moules de poinçonnage métallique :
●Résistance mécanique et à l'usure : primordiale. Les moules doivent supporter des chocs intenses, fréquents, ainsi que des contacts métalliques mobiles qui provoquent des coincements, des frottements abrasifs. Les aciers à outils (tels que D2, A2) ou même le carbure sont couramment utilisés et sont souvent durcis jusqu'à atteindre une très haute dureté sur l'échelle Rockwell C.
●Jeu Précis : L'opération de cisaillement implique un très petit espace entre le poinçon et la matrice dans les opérations de coupe afin d'éviter un ébavurage excessif et/ou des dommages aux outils utilisés.
●Application de Pression : La conception vise à transmettre efficacement une grande tonnage grâce à des éléments structurels solides (poinçons, matrices, talons).
●Souvent : Les matrices de formage de nombreuses formes, en particulier liées aux modes de pliage ou de coupe simple, ne nécessitent pas les complexités étendues des moules plastique.
●Moules pour Transformation des Plastiques :
●Cavité & Coeur Complexes : Le moule détermine la géométrie complexe externe (cavité) et interne (cœur) de l'article plastique concerné. La complexité peut être très élevée.
●Système de Refroidissement : Un système interne de canaux de refroidissement (eau ou huile) est essentiel. Un refroidissement optimisé et homogène a une incidence directe sur le temps de cycle et la qualité des pièces.
●Système d’alimentation (Géométrie d'injection) : La coulée, les canaux de distribution et les entrées par lesquelles le plastique fondu est déposé dans la cavité proviennent du bec de la machine. La conception influence les schémas d'écoulement, la pression de remplissage et l'apparence des pièces.
●Système d'éjection : Les broches, manchons ou extracteurs sont soigneusement positionnés pour éjecter la pièce refroidie hors du moule tout en la laissant intacte.
●Ventilation : La ventilation s'effectue à l'aide de petits canaux ou trous permettant d'évacuer l'air piégé lorsque la matière fondue pénètre dans la cavité, afin d'éviter des brûlures ou un remplissage incomplet.
●Matériau : Peut être constitué d'aciers à outils durcis (P20, H13, S7), ou d'acier inoxydable de plusieurs types, mais la finition de surface et la résistance à la corrosion (spécifiquement pour certains plastiques) sont également des facteurs importants.
3. L'environnement de production
Le poinçonnage métallique : Il s'effectue généralement sur une presse mécanique ou hydraulique. Ces presses sont généralement extrêmement rapides dans leurs opérations (des centaines de pièces par minute peuvent être produites, allant jusqu'aux composants les plus simples). Ce processus est normalement à froid, bien qu'il existe certains procédés spéciaux de formage nécessitant un chauffage. Le frottement et l'usure sont souvent réduits à l'aide de lubrifiants.
Le traitement des plastiques : Les plastiques sont principalement mis en œuvre à l'aide de machines à injecter, mais aussi par d'autres méthodes telles que le soufflage, le moulage par compression, etc. Le processus lui-même implique une quantité considérable de chaleur : fonte du plastique suivie de son refroidissement dans le moule. Un cycle peut varier de quelques secondes à plusieurs minutes, selon la taille de la pièce et l'épaisseur des parois. L'efficacité du refroidissement a un impact important sur la durée du cycle. Des agents peuvent être relargués, bien que les lubrifiants ne soient pas aussi universels que dans le poinçonnage.
4. Durée de vie & Mécanismes d'usure
Matrices d'estampage métallique : L'usure abrasive est principalement due au contact entre le métal et l'acier à outils, ainsi que l'usure adhésive (grippage). Les arêtes perdent leur tranchant. Des fissures de fatigue peuvent apparaître en raison des contraintes cycliques élevées. L'entretien comprend l'affûtage, le remplacement des parties usées ou l'insertion de doublures. La durée de vie est traditionnellement mesurée en centaines de milliers ou millions de coups pour des matrices bien entretenues.
Matrices de mise en forme des plastiques (moules) : Les types d'usure rencontrés incluent l'abrasion causée par les charges présentes dans les plastiques, la corrosion due à certains polymères ou à l'eau de refroidissement, ainsi que l'érosion provoquée par la vitesse élevée du matériau fondu. Une propriété esthétique affectée par la dégradation du poli sur la surface de la cavité est l'apparence du produit fini. L'entretien implique du polissage, la réparation des dommages superficiels, ainsi que le débouchage des canaux ou des évents de refroidissement. La durée de vie est également généralement très longue (de centaines de milliers à millions de cycles), bien qu'elle soit très sensible au type de plastique utilisé ainsi qu'à l'entretien.
Pourquoi cette distinction est importante
Le choix d'une mauvaise approche de conception du moule en fonction du matériau constitue un échec programmé. Un moule utilisé pour l'emboutissage de pièces métalliques ne possède pas ces canaux de refroidissement et ces systèmes de distribution nécessaires au moulage des plastiques. Une empreinte conçue pour le plastique ne résisterait pas aux vibrations générées par l'emboutissage de l'acier. Voici les différences fondamentales : la déformation à l'état solide et le traitement en phase fondue, la nécessité d'optimiser le refroidissement et les jeux de montage, la gestion de l'écoulement et celle du retour élastique, qu'il est essentiel de comprendre pour :
● Concevoir des outillages efficaces et durables.
●Optimiser les processus de fabrication.
●Sélectionner des matériaux appropriés pour le moule lui-même.
●Résoudre efficacement les problèmes de production.
●Estimer précisément les coûts des outillages et des pièces.
Bien que ces deux types distincts de matrices soient tous deux des instruments précis, nécessaires dans les efforts de production de masse, leur conception, leur construction et leur fonctionnalité sont régies par des principes physiques radicalement différents selon lesquels les métaux et les plastiques sont transformés par l'usinage brut pour devenir des pièces finies. Cette différence fondamentale crée d'importantes opportunités dans le domaine de la fabrication.