Musclez vos pièces : renforcez-les par des éléments de support et la sélection du matériau
Les concepteurs de produits renforcent leurs pièces moulées par injection de différentes manières et pour différentes raisons. Pour bien commencer, une analyse en profondeur de l'application d'une pièce permettra de déterminer si sa conception doit intégrer un renfort complémentaire. Comment et dans quel environnement vos clients utiliseront-ils votre produit ? Vos pièces devront peut-être supporter des chocs répétés, résister à l'usure ou porter de fortes charges. Il sera parfois suffisant d'intégrer des nervures ou des goussets dans votre design, ou bien la solution sera plus compliquée et impliquera l'association de plusieurs éléments de conception : renforts, matériau, épaisseur de parois, etc. Trouver le bon équilibre entre différents aspects de la conception de votre pièce vous aidera à répondre à ses besoins en termes de robustesse et de stabilité.
Une nervure est un élément mince, ressemblant à une paroi et généralement créé pour supporter des parois ou renforcer d'autres éléments comme les bossages. De même, les goussets sont des éléments de support qui renforcent certaines zones reliant, par exemple, une paroi ou un bossage à une surface. Tout comme on utilise des goussets pour supporter les poutres et les piliers d'un pont à leur sommet, afin d'ajouter une résistance cruciale à la structure, ce concept s'applique également aux pièces moulées par injection.
Les nervures et les goussets donnent de la stabilité à une pièce sans qu'il soit nécessaire d'augmenter l'épaisseur de ses parois. Ils sont particulièrement utiles pour les pièces à parois minces qui peuvent être fragilisées par une utilisation régulière. Il est important de noter que l'épaisseur des nervures et des goussets ne doit pas dépasser 60% de l'épaisseur de paroi nominale. Cette épaisseur est inférieure à celle des parois primaires afin d'éviter les sections trop épaisses au niveau de leur intersection. Lorsque vous avez une masse de matière au niveau d'une intersection intérieure nervure-paroi, il pourra se produire des marques de retassure sur le côté visible de la pièce.
Les concepteurs de produits peuvent envisager différents nervurages pour créer des formes carrées, rectangulaires, triangulaires, alvéolaires ou en losange qui rigidifient la pièce. La création d'un élément nervuré équivaut à économiser de la matière inutile en ne laissant que le système de support nervuré – cette solution réduit ainsi le poids et le coût de la pièce. Veillez, toutefois, à ne pas supprimer des surfaces ou des éléments de montage avec d'autres parties du produit assemblé.
Du fait que les angles vifs fragilisent une pièce, on peut aussi créer des congés (surfaces incurvées au point de raccordement d'une nervure et d'une paroi) dans sa géométrie, afin d'éliminer une concentration de contraintes mécaniques supplémentaires dans la pièce finie. Tout comme dans le cas des goussets, un congé trop petit ne jouera pas son rôle de réduction des contraintes, mais un congé trop grand pourra là aussi créer une retassure. Il est très important de bien identifier la taille et l'emplacement des congés (ainsi que des nervures et des goussets). Lorsque vous ajoutez un congé à l'intérieur d'un coin, arrondissez également l'extérieur de ce coin, si possible. Si le risque de retassure est trop élevé dans certaines sections, d'autres méthodes de renforcement devront être envisagées.
La sélection du matériau joue également un rôle dans la rigidité, la durabilité, la robustesse, ainsi que d'autres caractéristiques des pièces ; la clé du succès est d'équilibrer le rapport entre ces propriétés du matériau et les fonctionnalités de la pièce. Ainsi, par exemple, un concepteur pourra choisir une matière thermoplastique qui produira une pièce rigide, mais si son application exige un haut degré de résistance aux chocs, la fragilité d'une pièce non flexible pourra causer sa rupture. Les propriétés des matériaux diffèrent entre les matières - voici un aperçu de quelques matières que nous utilisons fréquemment :
- L'ABS est une matière stable, bien adaptée aux applications grand-public. Il est robuste et résiste aux chocs dans des environnements d'utilisation quotidienne. On l'utilise couramment dans les boîtiers des télécommandes, les outils alimentés par piles et les panneaux formant le corps des écrans, imprimantes et photocopieurs. Certains problèmes de résistance chimique peuvent exister avec l'ABS.
- Le polycarbonate résiste mieux aux chocs que l'ABS. Il convient bien aux lentilles et aux pièces qui doivent être brillantes. Il est sujet à la fissuration sous contrainte et risque de se craqueler et de se ternir en cas de problèmes de compatibilité chimique.
- Le nylon non chargé est souple et résistant à l'impact. Il présente un bon pouvoir lubrifiant contre l'usure. Une charge de fibre de verre augmentera la rigidité du nylon et sa résistance à la compression, mais le matériau sera plus fragile à l'impact. Une charge de fibre de verre contribue à augmenter la température de distorsion à chaud.
- L'acétal est un excellent matériau antifriction et autolubrifiant. Il présente d'excellentes propriétés d'usure et une bonne rigidité. Il ne convient pas aux pièces nécessitant une belle finition de surface ou devant être imprimées au tampon, peintes ou recevoir des décalcomanies.
- Les TPE sont excellents pour les joints étanches aux poussières et pour protéger les coins en offrant une résistance à l'impact. Ils sont également utilisés dans des applications de surmoulage pour les poignées. Ils ne sont pas toujours adaptés aux applications dynamiques et conviennent mieux aux utilisations statiques. Certains problèmes de résistance chimique peuvent exister avec les TPE.
On peut aussi rendre les pièces plus résistantes en renforçant les matériaux avec un additif. L'utilisation de fibres de verre longues et courtes peut rendre une matière plus robuste et plus rigide (mais aussi plus fragile), et la fibre de carbone peut la rendre encore plus rigide. Des minéraux tels que le talc et la craie sont souvent utilisés comme charge pour augmenter la dureté des pièces finies ; et des billes de verre et des paillettes de mica sont utilisées pour raidir un matériau composite et réduire le gauchissement et le retrait.
Parfois, pour rendre une pièce plus résistante, il suffit d'augmenter l'épaisseur globale de ses parois. Protolabs fournit une liste des épaisseurs de paroi recommandées selon le type de matière afin de vous aider à concevoir des pièces ni trop minces ni trop épaisses. Plus votre pièce est grande et plus vous devez prêter attention aux nervures, aux goussets, aux matériaux et à d'autres facteurs susceptibles d'améliorer sa résistance. Comme toujours, les ingénieurs de notre service clientèle sont à votre disposition pour discuter de la géométrie et du design de vos pièces. Reportez-vous aussi à l'analyse interactive de moulabilité qui accompagne tous les devis fournis pour vos pièces par Protolabs.
*Pour recevoir gratuitement un cube modèle, demandez-le ici.