Les prises de vue courtes en moulage par injection : analyse des causes, solutions et cas pratiques
Dans le domaine du moulage par injection plastique, les injections incomplètes figurent parmi les défauts de qualité les plus fréquents et les plus préjudiciables. Une injection incomplète se produit lorsque le plastique fondu ne remplit pas entièrement la cavité du moule lors du processus de remplissage, entraînant des problèmes tels qu'un manque de matière, des bords incomplets et des défauts de remplissage dans les zones à parois fines de la pièce moulée. Ces problèmes affectent directement l'intégrité structurelle, la précision d'assemblage et l'aspect du produit.
Un cas concernant un nouveau constructeur de véhicules à énergies renouvelables montre qu'un problème de court-circuit dans les pare-chocs à parois minces a entraîné l'arrêt de la chaîne de production du client pendant 8 heures, provoquant des pertes économiques directes supérieures à 500 000 yuans (Remarque : si une conversion en devise étrangère est plus appropriée au contexte, on peut utiliser « plus de 70 000 dollars américains », le taux de conversion étant basé sur le taux moyen du marché autour de 2024).
En partant du mécanisme essentiel des injections incomplètes, cet article analysera systématiquement les quatre causes principales, proposera des solutions complètes concernant les matériaux, les moules, les procédés et les équipements, et illustrera les voies de mise en œuvre par des cas pratiques.
I. La nature des plans courts : perturbation dynamique de l’équilibre des flux
La formation de défauts d'injection n'est pas due à un seul facteur ; elle résulte essentiellement de la rupture de l'équilibre dynamique entre l'énergie propulsive et la résistance à l'écoulement du plastique fondu lors du remplissage. D'un point de vue microscopique, pour que le front de fusion remplisse complètement la cavité, il doit surmonter trois types de résistance principaux :
1. Résistance visqueuse du matériau fondu lui-même : générée par la viscosité du matériau et le frottement du canal d'alimentation ;
2. Décroissance de la pression : La perte de pression du matériau fondu, de la porte jusqu'à l'extrémité de la cavité, augmente de façon exponentielle avec la longueur du trajet d'écoulement ;
3. Gradient de température : Le refroidissement de la matière fondue entraîne une forte augmentation de la viscosité — pour chaque baisse de température de 10 °C, la viscosité peut augmenter de 2,3 fois (selon l'équation d'Arrhenius).
Lorsque la somme de ces résistances dépasse la force propulsive fournie par le système d'injection, le front de fusion se solidifie avant de remplir complètement la cavité, ce qui entraîne un défaut d'injection incomplète.
Les manifestations typiques des tirs courts incluent :
● Pénurie progressive de matière (amincissement progressif de la porte jusqu'à l'extrémité de la pièce) ;
● Interruption intermittente du flux (apparition de « lignes ressemblant à des joints de bambou » à la surface) ;
● Sous-remplissage global (remplissage insuffisant de la totalité de la cavité) ;
● Pénurie locale de matériaux (structures complexes non remplies ou zones de maillage).
Les différentes manifestations correspondent à différentes combinaisons de causes.
II. Quatre causes principales : traçabilité complète de la chaîne, des matériaux aux équipements
(1) Propriétés des matériaux : limitations intrinsèques de la capacité d’écoulement
Les matériaux sont le facteur fondamental qui affecte les prises courtes, les problèmes principaux se concentrant sur deux aspects : la fluidité et la pureté.
Les matériaux à haute viscosité (par exemple, PC, PPO, PC + 20 % de charge minérale) présentent une forte résistance à l'écoulement à l'état fondu. En particulier pour les produits à parois minces (≤ 2 mm) ou à long parcours d'écoulement (rapport d'écoulement > 100:1), des injections incomplètes sont fréquentes en raison d'un débit insuffisant. La présence d'impuretés, de particules non fondues ou d'un excès de lubrifiants dans les matières premières aggrave encore le problème : les impuretés peuvent obstruer les canaux d'alimentation et former des obstacles à l'écoulement, tandis que l'excès de lubrifiants peut provoquer un glissement du polymère fondu, réduisant ainsi la pression de remplissage effective.
De plus, pour les matériaux renforcés de fibres de verre (par exemple, PP + 30 % de fibres de verre), la réorientation des fibres de verre accroît la résistance à l'écoulement. Les zones à forte concentration de fibres longues peuvent même former une structure en réseau, entravant la progression de la matière fondue.
(2) Conception du moule : Défauts structurels dans les voies d'écoulement
La rationalité de la conception du moule détermine directement la régularité de l'écoulement du métal en fusion. Les problèmes de conception courants incluent :
● Conception inadéquate des canaux d'alimentation et des vannes (canaux d'alimentation excessivement fins, positions décalées des vannes ou vannes sous-dimensionnées), entraînant une perte de pression excessive ;
● Mauvaise ventilation de la cavité : l’air emprisonné ne peut s’échapper, créant une contre-pression qui obstrue le remplissage par fusion ;
● Agencement du système de refroidissement inadéquat : un refroidissement excessif local provoque une solidification prématurée du matériau fondu ;
● Géométrie complexe du produit (par exemple, mailles denses, nervures étroites) : augmente la résistance à l’écoulement et forme facilement des zones de stagnation.
Par exemple, la zone en maille d'un couvercle inférieur d'ordinateur portable (NB) a une grande surface de contact et une dissipation thermique rapide ; il s'agit non seulement d'une zone à haut risque pour les tirs courts, mais aussi sujette à des défauts de flash en raison de la pression élevée requise pour le remplissage.
(3) Paramètres de procédé : Inadéquation des conditions de moulage
Les paramètres de processus sont la cause la plus directe des injections incomplètes, le problème principal résidant dans la correspondance triangulaire entre la température, la pression et la vitesse.
● Une pression ou une vitesse d'injection insuffisante entraîne une force de propulsion de la matière fondue inadéquate ; inversement, une vitesse excessivement élevée peut emprisonner de l'air, tandis qu'une vitesse excessivement faible provoque une solidification prématurée de la matière fondue.
● Une température de fusion ou de moule basse augmente considérablement la viscosité du polymère fondu. Par exemple, la fluidité du polypropylène à 200 °C est bien inférieure à celle observée dans sa plage de température optimale (220–240 °C).
● Des réglages de pression de maintien incorrects (par exemple, un délai de commutation trop long, une pression insuffisante) ne permettent pas de compenser le retrait dû à la fusion, ce qui entraîne une pénurie de matière à l'extrémité de la pièce.
La stratégie d'injection à vitesse constante « standard » des procédés traditionnels ne peut pas s'adapter à la loi de décroissance de la pression des produits à long trajet, ce qui est également une cause clé des injections courtes progressives.
(4) Performances de l'équipement : Précision insuffisante dans le transfert d'énergie
Les performances des presses à injecter influent directement sur la stabilité de l'alimentation électrique, et les défauts d'injection varient considérablement d'une marque à l'autre. Pour les presses à injecter électriques, les principaux facteurs influents sont la précision du transfert de pression, la stabilité du débit et l'uniformité du champ de température.
● Les machines Fanuc ont un taux de décroissance du débit élevé (jusqu'à 60 %), ce qui conduit facilement à une pénurie progressive de matériaux ;
● Les retards de réponse de la vanne de commutation de pression de maintien des machines Sumitomo peuvent provoquer des interruptions de débit intermittentes ;
● Les fluctuations de vitesse des machines haïtiennes entraînent une instabilité de la pression, ce qui conduit à un sous-remplissage global.
De plus, des défauts d'équipement tels que des trémies vides, des entrées d'alimentation obstruées et des clapets anti-retour usés peuvent entraîner une baisse de la pression d'injection réelle ou une fuite de pression, aggravant encore les problèmes d'injection incomplète.
III. Solutions globales : une stratégie systématique allant de la prévention à l'éradication
(1) Optimisation des matériaux : Amélioration du débit à la source
L'objectif principal du réglage des matériaux est de réduire la résistance à l'écoulement, ce qui peut être réalisé par trois approches :
1. Remplacer par des résines de meilleure fluidité : sélectionner des matériaux avec un indice de fluidité à chaud (MFR) plus élevé pour réduire la pression d'injection nécessaire au remplissage ;
2. Modification des matières premières : Améliorer la fluidité à l'état fondu en ajoutant des plastifiants, en réduisant la proportion de charges ou en optimisant la distribution de longueur des fibres de verre ;
3. Prétraitement des matières premières : Contrôler strictement la teneur en impuretés et sécher complètement les matériaux hygroscopiques pour éviter les fluctuations de viscosité causées par l'humidité.
Pour les matériaux renforcés de fibres de verre tels que le PP + 30 % GF, le taux de compression de la vis et la longueur de la section de mélange peuvent être ajustés pour réduire la rupture des fibres de verre et diminuer la résistance à l'écoulement.
(2) Optimisation du moule : Création d'un système d'écoulement fluide
L'amélioration des moules nécessite une optimisation précise combinée à une analyse du flux de moule par CAE :
● Conception des canaux d'alimentation et des points d'injection : augmenter la taille des canaux d'alimentation, optimiser la position des points d'injection (par exemple, en passant d'une injection latérale à une injection centrale) et équilibrer le temps de remplissage de chaque cavité. Un composant automobile a ainsi bénéficié d'une augmentation de 20 % de son taux de remplissage.
● Système de ventilation : Ajouter des rainures de ventilation (profondeur ≤ 0,02 mm, largeur 5-10 mm) à l'extrémité de la cavité et des zones d'accumulation d'air, ou utiliser des inserts en acier poreux pour éliminer l'impact de la contre-pression ;
● Système de refroidissement : éviter le surrefroidissement local ; pour les produits à long parcours, des barres chauffantes supplémentaires peuvent être installées à l’extrémité pour maintenir la température de fusion ;
● Produits à structure complexe : Optimiser la géométrie du produit par simulation CAE, par exemple en épaississant les zones à parois minces ou en simplifiant les chemins d'écoulement, afin de réduire la résistance à l'écoulement.
(3) Optimisation des processus : parvenir à un contrôle précis des processus
La clé du réglage des processus réside dans l'établissement d'une relation d'adéquation dynamique entre « température, pression et vitesse » :
● Contrôle de la température : Augmenter de manière appropriée la température de fusion (par exemple, en élevant la température du PP de 200 °C à 220-240 °C) et la température du moule pour réduire la viscosité de la matière fondue, tout en évitant la dégradation du matériau causée par des températures excessivement élevées ;
● Contrôle de la pression et du débit : Adopter une stratégie d’injection segmentée et ajuster dynamiquement les paramètres en fonction de la longueur du trajet d’écoulement. Par exemple, utiliser une pression et un débit élevés dans la phase initiale pour établir rapidement un gradient de pression, maintenir la pression dans la phase intermédiaire pour compenser la chute de pression et réduire le débit dans la phase finale pour éviter la vaporisation instantanée. Parallèlement, utiliser une pression de maintien décroissante progressivement pour éviter les variations de pression brusques.
● Principe de réglage des paramètres : Suivez le principe « petit et progressif » — ajustez la pression d'injection de 5 % à 10 % à chaque fois pour éviter de nouveaux défauts causés par des changements drastiques de paramètres.
(4) Optimisation des équipements : garantir un transfert d'énergie stable
L'optimisation au niveau des équipements comprend :
● Calibrer régulièrement la précision de la pression d'injection et du débit pour garantir la précision de la transmission de la pression ;
● Inspecter et remplacer les clapets anti-retour usés pour éviter les fuites de pression ;
Développer des paramètres différenciés en fonction des caractéristiques des machines de différentes marques. Par exemple, les machines Fanuc doivent se concentrer sur la compensation de la diminution du débit, les machines Sumitomo nécessitent l'optimisation du moment de commutation de la pression de maintien et les machines Haitian doivent contrôler les fluctuations de vitesse ;
● Pour les produits à long trajet d'écoulement et à parois minces, sélectionnez un équipement présentant une plus grande stabilité en termes de volume d'injection, de pression et de vitesse afin d'éviter les injections incomplètes dues à une capacité insuffisante de l'équipement.
IV. Cas pratiques : Le chemin des tirs courts en masse à un rendement de 95 %
Cas n° 1 : Solution aux tirs courts dans les pare-chocs à parois minces pour véhicules à énergies nouvelles
Un constructeur automobile a produit des pare-chocs à parois minces en PP + 30 % de fibres de verre (épaisseur : 1,8 mm, indice de fluidité : 120:1). Les trois presses à injection électriques utilisées ont rencontré de nombreux problèmes d'injection incomplète, avec un manque de matière de 2 à 5 mm en bout de pièce. L'augmentation de la pression d'injection, méthode traditionnelle, n'a permis d'améliorer le problème que de 15 % et a engendré d'importantes bavures.
Solution : Une stratégie d'optimisation couplée « caractéristiques de l'équipement - comportement des matériaux - paramètres du processus » a été adoptée :
● Pour les machines Fanuc : une injection segmentée a été mise en œuvre (étape initiale : 140 MPa/200 mm/s → étape intermédiaire : 120 MPa/150 mm/s → étape finale : 100 MPa/100 mm/s). Des barres chauffantes supplémentaires ont été installées à l’extrémité des canaux pour augmenter la température à l’extrémité de 185 °C à 220 °C, réduisant la viscosité de 48 % ;
● Pour les machines Sumitomo : le temps de commutation de la pression de maintien a été optimisé pour réduire le délai de réponse à 0,05 seconde, et l'angle R au niveau des coudes du canal a été élargi à 1,5 mm ;
● Pour les machines haïtiennes : La longueur de la section de mélange à vis a été ajustée pour réduire la dispersion inégale des fibres de verre, et la fluctuation de vitesse a été contrôlée à ±1 tr/min.
Finalement, le défaut de tir court a été complètement résolu, le rendement est passé de 70 % à 95 % et le volume de bavures a diminué de 80 %.
Cas 2 : Solution collaborative aux problèmes de prise de vue courte et de flash dans la zone en maille des coques inférieures NB
Le couvercle inférieur d'un ordinateur portable (épaisseur : 1,2 mm, PC + 20 % de charge minérale) présentait des défauts d'impression (mèches et bavures) dus à un maillage dense. Trois modifications du point d'injection n'ont pas permis d'améliorer significativement la situation. L'analyse de l'écoulement dans le moule par simulation numérique a révélé une forte résistance à l'écoulement et une pression concentrée au niveau du maillage.
Solution:
● Le maillage a été optimisé à l'aide d'un modèle de correction d'épaisseur de paroi équivalente, ajustant l'épaisseur de paroi de la zone du maillage à 1,05 mm ;
● Le système de commande a été repensé : passage d'une commande à quatre points à une commande symétrique à deux points, et augmentation du diamètre du canal transversal à 8 mm ;
● Des micro-rainures d'aération (profondeur : 0,015 mm) ont été ajoutées dans la zone de maille dense ;
● Les paramètres du processus ont été ajustés : augmentation de la température de fusion de 260 °C à 275 °C et adoption de la stratégie « remplissage à basse vitesse - maintien à haute pression ».
Après optimisation, le défaut de tir court a été éliminé et le taux de défauts de flash est passé de 35 % à 2 %.
V. Conclusion : Logique fondamentale de la prévention et du contrôle des tirs courts
Le problème des injections incomplètes en moulage par injection est essentiellement dû à une inadéquation entre le système d'écoulement, le transfert d'énergie et les propriétés du matériau. La prévention et le contrôle des injections incomplètes nécessitent la mise en place d'un système en boucle fermée de « prévention - diagnostic - optimisation » :
● Les risques potentiels sont évités dès la phase de conception grâce à l'analyse du flux de moule par CAE ;
● Les causes sont diagnostiquées avec précision en fonction des manifestations des anomalies ;
● Une solution radicale est obtenue grâce à l’optimisation collaborative des matériaux, des moules, des procédés et des équipements.
Face à la popularité croissante du moulage par injection de précision, la prévention et le contrôle des injections incomplètes sont passés d'un simple réglage des paramètres à une ingénierie système multidimensionnelle. Seule la maîtrise de son mécanisme fondamental, combinée à l'expérience pratique, permet d'améliorer efficacement le rendement et de réduire les coûts de production.
