Fabriquer et réparer les moules (injection, compression et soufflage)

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre les compétences essentielles du Tool and Die Maker (outilleur-mouleur) pour la fabrication, l'assemblage et la réparation des moules utilisés dans les procédés d'injection, de compression et de soufflage. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser non seulement les techniques d'usinage, mais aussi la compréhension des phénomènes physiques (retrait, dilatation, flux de matière) et les normes canadiennes applicables. Ce chapitre est structuré pour suivre la logique du métier : conception, usinage, assemblage, essais et réparation.

1. Principes fondamentaux des moules

1.1 Classification des moules

Type de moule	Procédé	Matériaux typiques	Pression typique	Température typique
Injection	Thermoplastiques et thermodurcissables	Acier P20, H13, inoxydable 420	50–200 MPa	40–120 °C (régulation)
Compression	Thermo-durcissables, composites	Acier à outils, alliages de cuivre	10–50 MPa	150–200 °C
Soufflage	Thermoplastiques (bouteilles, réservoirs)	Aluminium 7075, acier inoxydable	0,5–2 MPa (air)	180–230 °C (paraison)

Principe clé : Le moule doit résister aux cycles thermiques et mécaniques répétés sans déformation. La dureté de surface (48–62 HRC) est obtenue par traitement thermique ou nitruration.

1.2 Composants d'un moule d'injection

Un moule d'injection typique comprend :

Empreinte (cavité) : forme négative de la pièce.

Noyau (poinçon) : forme positive, souvent mobile.

Système d'alimentation : canal principal (sprue), canaux secondaires (runners), points d'injection (gates).

Système d'éjection : éjecteurs, lames, anneaux de retenue.

Système de refroidissement : circuits d'eau, bouchons, joints toriques.

Plaques : plaque fixe, plaque mobile, entretoises.

Guides : colonnes et bagues de guidage.

Formule de retrait : Le retrait (shrinkage) est exprimé en mm/mm ou en pourcentage. Pour un polymère semi-cristallin (ex. PA66) : retrait de 1,5–2,0 %. Pour un polymère amorphe (ex. PC) : 0,5–0,7 %.

Calcul pratique : Dimension de l'empreinte = Dimension nominale × (1 + retrait/100). Exemple : pièce de 100 mm en PA66 (retrait 1,8 %) → empreinte = 100 × (1 + 0,018) = 101,8 mm.

2. Fabrication des moules d'injection

2.1 Choix des matériaux

Matériau	Application	Traitement	Dureté finale
P20 (pré-trempé)	Moules de grande série, plastiques non abrasifs	Aucun (28–32 HRC)	28–32 HRC
H13 (H13 modifié)	Moules à haute température, abrasifs	Trempe + revenu	46–52 HRC
S7 (choc)	Noyaux soumis à chocs	Trempe à l'air	48–56 HRC
Inoxydable 420	Moules pour PVC, applications corrosives	Trempe + revenu	48–52 HRC
Béryllium-cuivre (C17200)	Noyaux avec refroidissement conformal	Vieillissement	36–42 HRC

Norme canadienne : Référez-vous à l'ASTM A681 pour les aciers à outils, et à la CSA W59 pour les assemblages soudés (si applicable).

2.2 Usinage des empreintes

Procédés :

27.Fraisage CNC : ébauche et finition avec fraises carbure. Utiliser des vitesses de coupe de 150–250 m/min pour l'acier P20.

28.Électroérosion à fil (EDM) : pour les angles internes aigus et les formes complexes. Tolérance typique ±0,005 mm.

29.Électroérosion par enfonçage (sinking EDM) : pour les cavités profondes avec électrodes en graphite ou cuivre.

30.Rectification : pour les surfaces planes et les ajustements précis (tolérance ±0,002 mm).

Règle d'or : Toujours usiner en laissant une surépaisseur de 0,3–0,5 mm pour la finition après traitement thermique, car la trempe provoque une déformation.

2.3 Systèmes d'alimentation et d'éjection

Types de canaux :

Canal chaud (hot runner) : maintient le polymère à l'état fondu. Avantage : pas de carotte à retirer. Inconvénient : coût élevé, risque de dégradation thermique.

Canal froid (cold runner) : plus simple, mais génère des déchets.

Points d'injection :

Type	Diamètre	Application
Point direct (sprue gate)	3–6 mm	Pièces épaisses
Point latéral (edge gate)	1–3 mm	Pièces plates
Point sous-marin (submarine)	0,8–2 mm	Éjection automatique
Point en éventail (fan gate)	Largeur 5–20 mm	Pièces larges et minces

Éjecteurs : Diamètre standard 1,5 à 25 mm. La force d'éjection nécessaire se calcule par : F = P × A × μ, où P est la pression de maintien (MPa), A la surface projetée (mm²), μ le coefficient de frottement (0,2–0,4 pour acier/polymère).

3. Fabrication des moules de compression

3.1 Spécificités du procédé

Le moule de compression est généralement plus simple : deux demi-moules (mâle et femelle) qui se ferment sous pression. La matière (préforme) est placée dans la cavité, puis le moule se ferme et chauffe.

Points critiques :

Jeu de fermeture : 0,05–0,15 mm pour éviter les bavures (flash).

Évent : rainures de 0,05–0,15 mm de profondeur pour évacuer l'air et les gaz.

Chauffage : cartouches chauffantes ou plaques chauffantes électriques. Puissance typique : 2–4 W/cm² de surface.

3.2 Fabrication des surfaces de fermeture

Les surfaces de fermeture (land area) doivent être rectifiées et rodées pour garantir l'étanchéité. La largeur de la surface d'appui est de 3–10 mm selon la taille du moule.

Calcul de la force de fermeture : F = P × A × 1,1 (facteur de sécurité 10 %). Exemple : surface projetée de 500 cm², pression de compression 30 MPa → F = 30 × 500 × 100 × 1,1 = 1 650 000 N = 165 tonnes.

4. Fabrication des moules de soufflage

4.1 Types de soufflage

53.Extrusion-soufflage : une paraison (tube extrudé) est pincée entre deux demi-moules, puis gonflée par air comprimé.

54.Injection-soufflage : une préforme injectée est réchauffée puis soufflée.

55.Étirage-soufflage (stretch-blow) : pour le PET (bouteilles). Étirage mécanique + soufflage.

4.2 Conception des moules de soufflage

Matériaux : Aluminium 7075-T6 (léger, bonne conductivité thermique) ou acier inoxydable pour les grandes séries.

Points de pincement (pinch-off) : La zone où les deux moitiés se rejoignent doit avoir un angle de 15–30° et une arête de 0,3–0,5 mm pour couper l'excédent de matière.

Refroidissement : Critique pour la cadence. Les circuits de refroidissement doivent être placés à 8–12 mm de la surface de l'empreinte. Débit d'eau recommandé : 10–20 L/min par circuit.

Évents : Profondeur de 0,02–0,05 mm, largeur de 5–10 mm, placés aux points hauts de la cavité pour évacuer l'air pendant le soufflage.

5. Réparation et maintenance des moules

5.1 Diagnostic des défauts

Défaut observé	Cause probable	Solution
Bavures (flash)	Jeu excessif, usure des surfaces de fermeture	Rectifier les surfaces, réduire le jeu
Pièce collée	Dépouille insuffisante, éjecteurs trop courts	Augmenter la dépouille, rallonger les éjecteurs
Traces de flux (flow marks)	Point d'injection mal positionné, température basse	Repositionner le gate, augmenter la température
Pièce brûlée	Évent obstrué, température trop élevée	Nettoyer les évents, réduire la température
Usure de l'empreinte	Matériau abrasif (verre, talc)	Nitrurer la surface, utiliser un acier plus dur

5.2 Techniques de réparation

Soudure : Pour les fissures et les éclats. Utiliser un TIG avec baguette de même composition que l'acier du moule. Préchauffer à 200–300 °C, soudure en passes fines, puis revenu à 150–200 °C pour éviter les contraintes résiduelles.

Rapport de soudure : La zone soudée doit être usinée puis rectifiée pour retrouver la géométrie exacte. Vérifier avec un comparateur ou une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) .

Nitruration : Traitement de surface (gaz ou plasma) pour augmenter la dureté de surface (jusqu'à 65–70 HRC) sans déformation. Épaisseur de couche : 0,1–0,4 mm.

Remplacement des composants : Les éjecteurs, colonnes de guidage et bagues sont des pièces d'usure. Tolérances d'ajustement :

Colonne/bague : jeu de 0,01–0,03 mm.

Éjecteur/alésage : jeu de 0,02–0,05 mm.

5.3 Contrôle dimensionnel après réparation

Utiliser :

Micromètre (extérieur) : précision ±0,001 mm.

Palmer (intérieur) : pour les alésages.

MMT : pour les formes complexes, tolérance ±0,005 mm.

Projecteur de profil : pour les profils de coupe.

Norme : Référez-vous à la ISO 1101 pour les tolérances géométriques (GD&T) lors de la vérification.

6. Calculs et considérations thermiques

6.1 Équilibre thermique du moule

La chaleur à évacuer par le circuit de refroidissement : Q = m × Cp × ΔT, où :

Q = chaleur (J)

m = masse de polymère injectée par cycle (kg)

Cp = capacité thermique du polymère (J/kg·K) — ex. PP : 1900 J/kg·K

ΔT = différence entre température de fusion et température d'éjection (°C)

Débit d'eau nécessaire : V = Q / (ρ × Cp_eau × ΔT_eau), avec ρ = 1000 kg/m³, Cp_eau = 4186 J/kg·K, ΔT_eau = 5–10 °C.

6.2 Dilatation thermique

L'acier se dilate de 11 × 10⁻⁶ /°C (coefficient linéaire). Pour un moule de 300 mm de long, une variation de 50 °C provoque une dilatation de : 300 × 11 × 10⁻⁶ × 50 = 0,165 mm.

Important : Tenir compte de la dilatation lors de l'usinage à température ambiante si le moule fonctionne à chaud. Usiner la cote à froid en soustrayant la dilatation prévue.

7. Normes et sécurité

7.1 Normes canadiennes applicables

CSA B149.1 (Code canadien du gaz naturel et du propane) : applicable si le moule est chauffé au gaz (rare, mais possible pour les moules de compression).

Code canadien de l'électricité, Chapitre V : pour les cartouches chauffantes et les connexions électriques. Règle 8-200 : protection des conducteurs contre les surintensités.

CSA Z432 : Protection des machines — applicable aux presses d'injection et de compression.

CSA B51 : Code des appareils sous pression — si le moule utilise des fluides sous pression (vapeur, huile thermique).

7.2 Sécurité lors de la manipulation

Toujours verrouiller la presse (procédure de cadenassage) avant d'intervenir sur le moule.

Utiliser des gants thermiques lors de la manipulation de moules chauds (température > 60 °C).

Vérifier l'état des circuits hydrauliques (pression maximale, flexibles) avant chaque essai.

Porter des lunettes de protection lors du meulage et du polissage.

8. Essais et mise au point

8.1 Essai initial du moule

106.Vérification à froid : fermeture manuelle, contrôle des jeux, alignement des guides.

107.Essai à vide : cycle sans matière, vérification des mouvements d'éjection.

108.Essai avec matière : premières pièces, ajustement des paramètres (température, pression, vitesse d'injection).

109.Contrôle des pièces : dimensions, aspect, poids. Comparer au cahier des charges.

8.2 Ajustements courants

Bavures : augmenter la force de fermeture ou réduire le jeu.

Remplissage incomplet : augmenter la température du moule, la pression d'injection, ou agrandir le point d'injection.

Retrait excessif : augmenter le temps de maintien ou réduire la température du moule.

Pièges à éviter

116.Oublier le retrait : Ne jamais usiner une empreinte à la cote nominale de la pièce. Toujours appliquer le facteur de retrait, sinon la pièce sera trop petite.

117.Confondre dilatation et retrait : La dilatation thermique du moule s'ajoute au retrait du polymère. Calculer les deux séparément.

118.Négliger les évents : Un moule sans évents produit des pièces brûlées ou incomplètes. Toujours prévoir des évents de 0,02–0,05 mm.

119.Souder sans préchauffage : La soudure sur acier à outils sans préchauffage provoque des fissures. Toujours préchauffer à 200–300 °C.

120.Ignorer les tolérances de guidage : Un jeu excessif dans les colonnes de guidage provoque un désalignement et des bavures. Vérifier régulièrement.

121.Utiliser le mauvais acier : Un acier P20 pour un moule à haute température (H13 requis) entraîne une usure prématurée. Toujours vérifier la température de service.

122.Ne pas documenter les modifications : Toute modification du moule doit être notée (croquis, cotes, dates) pour les réparations futures.

123.Oublier le cadenassage : Intervenir sur un moule sans verrouiller la presse est une infraction grave et dangereuse. Toujours suivre la procédure.

Résumé

Les moules d'injection, de compression et de soufflage partagent des principes communs : empreinte, noyau, système d'alimentation, éjection, refroidissement.

Le retrait du polymère est le paramètre le plus critique pour la cotation de l'empreinte. Formule : empreinte = cote nominale × (1 + retrait/100).

Les matériaux courants : P20 (pré-trempé), H13 (haute température), S7 (choc), inoxydable 420 (corrosion).

Les tolérances d'usinage : ±0,005 mm pour l'EDM, ±0,002 mm pour la rectification.

La réparation par soudure exige un préchauffage (200–300 °C) et un revenu post-soudure.

Les normes canadiennes : CSA B149.1 (gaz), Code canadien de l'électricité Chapitre V (règle 8-200), CSA Z432 (machines), CSA B51 (pression).

Les essais de moule suivent une séquence logique : vérification à froid, essai à vide, essai avec matière, contrôle des pièces.

La sécurité est primordiale : cadenassage, gants thermiques, lunettes de protection.

Pour l'examen : Mémorisez les formules de retrait et de force de fermeture, les gammes de dureté des aciers, et les tolérances d'ajustement. Les questions portent souvent sur des calculs simples et des diagnostics de défauts. Entraînez-vous à lire des plans de moule et à identifier les composants.

Fabriquer et réparer les moules (injection, compression et soufflage)