Plastiques POM | Propriétés des matériaux pour le prototypage de pièces

Le POM (polyoxyméthylène) est un thermoplastique technique haute performance doté de propriétés mécaniques exceptionnelles et d'une grande stabilité dimensionnelle. Cet article présente les principales caractéristiques du POM, notamment ses propriétés mécaniques, ses performances thermiques et électriques, ainsi que ses applications.

Qu'est-ce que le plastique POM ?

Le polyoxyméthylène (POM), également appelé acétal, est un polymère thermoplastique cristallin. Ce polymère linéaire haute densité et hautement cristallin présente d'excellentes performances globales. Résine de qualité supérieure, il est apparu après le nylon et se classe troisième parmi les cinq principaux plastiques techniques. Selon la structure chimique de sa chaîne moléculaire, le POM est principalement classé en deux catégories : le POM homopolymère (Delrin) et le POM copolymère (Celcon).

Qu'est-ce qui distingue ces deux variétés ? Le Delrin possède une structure moléculaire cristalline régulière, polymérisée à partir d'un seul monomère. Le Celcon, quant à lui, présente une structure amorphe résultant de la copolymérisation de deux monomères différents.

Propriétés du POM

Un avantage significatif du POM réside dans son module d'élasticité élevé, sa rigidité et sa dureté élevées, son excellente résistance à la fatigue, ainsi que sa bonne résistance aux chocs et au fluage.

Résistance à la traction et rigidité

Parmi tous les plastiques, le POM possède une résistance et une rigidité spécifiques relativement proches de celles des métaux. Il peut remplacer des matériaux tels que l'acier, le zinc, l'aluminium, le cuivre et la fonte dans de nombreuses applications. La résistance à la traction et la rigidité du POM diminuent avec l'augmentation de la température.

La résistance aux chocs

Le POM présente une bonne ténacité et sa résistance aux chocs est peu affectée par la température. Cependant, la présence d'une entaille réduit considérablement cette résistance aux chocs. Polycarbonate (PC) et ABS ont une résistance aux chocs nettement supérieure à celle du POM, le POM démontre une résistance aux chocs supérieure à celle du PC et de l'ABS après des charges d'impact de fatigue répétées.

Resistance à la fatigue

Les plastiques cristallins présentent généralement une résistance à la fatigue supérieure à celle des plastiques amorphes. Le POM, dont la cristallinité dépasse 70 %, offre une excellente résistance à la fatigue. Il possède la limite de fatigue la plus élevée parmi tous les plastiques techniques thermoplastiques.

Résistance au fluage

Grâce à sa bonne résilience, le POM présente une résistance au fluage comparable à celle d'autres plastiques techniques comme le nylon. À 23 °C sous une charge de 21 MPa, le fluage n'est que de 2.3 % après 3 000 heures. De plus, sa valeur de fluage varie très peu avec la température, ce qui lui permet de conserver une bonne résistance au fluage même à haute température.

Résistance au frottement et à l'usure

Le POM présente un coefficient de frottement très faible et un taux d'usure minimal, tandis que sa vitesse limite de pression est relativement élevée. Cela le rend adapté aux composants soumis à un frottement de glissement prolongé. De plus, le POM possède une dureté superficielle similaire à celle de l'acier inoxydable. alliages d'aluminium, assure un certain degré d'autolubrification dans les applications de frottement dynamique et génère très peu de bruit, démontrant ainsi d'excellentes propriétés tribologiques.

Propriétés thermiques

Le POM présente une température de fléchissement sous charge (HDT) élevée. Le POM homopolymère possède généralement une HDT supérieure à celle du POM copolymère, mais sa stabilité thermique est inférieure. La température d'utilisation du POM est généralement d'environ 100 °C.

Propriétés électriques

Le POM possède de bonnes propriétés d'isolation électrique et est peu affecté par l'humidité. Sur une plage de fréquences de 10² ~ 10⁷ Entre 100 et 20 °C, la constante diélectrique du POM reste stable entre 3.1 et 3.9. Elle est peu influencée par l'absorption d'eau. L'épaisseur d'un produit en POM influe sur sa rigidité diélectrique : les pièces plus fines présentent une rigidité diélectrique plus élevée.

Résistance chimique

La résine POM offre une haute résistance aux huiles et aux solvants organiques (tels que les hydrocarbures, les alcools, les cétones, les esters et les benzènes). Même après une immersion prolongée (plus de six mois) à des températures élevées, elle conserve une résistance mécanique importante, avec un taux de variation de masse généralement inférieur à 5 %.

La résine POM présente une bonne résistance aux acides dilués, mais elle est sensible à la fissuration sous contrainte lorsqu'elle est exposée à des acides forts, notamment les acides sulfurique, chlorhydrique, nitrique, sulfureux et nitreux.

Résistance aux intempéries

La résistance aux intempéries de la résine POM est insuffisante. Pour les applications extérieures, il convient d'incorporer des absorbeurs d'UV ou des antioxydants afin d'améliorer sa durabilité.

Procédés d'usinage du POM

La résine POM peut être mise en forme et transformée par des procédés thermoplastiques classiques, tels que le moulage par injection, l'extrusion, le soufflage et le moulage par compression. Le moulage par injection est la technique la plus courante. L'extrusion est principalement utilisée pour produire des plaques et des barres, qui peuvent ensuite être transformées en produits finis. Le soufflage complète le moulage par injection pour la fabrication d'articles creux.

Moulage par Injection

Équipement: Utiliser une vis à une seule tête, à course complète et à compression abrupte, avec un embout standard. Le rapport L/D doit être d'environ 18, le taux de compression de 2 à 3 et la longueur de la section de dosage de 4 à 5D. La vitesse de rotation de la vis est généralement de 50 à 60 tr/min et la contre-pression est maintenue à environ 0.6 MPa. La buse doit être de type droit à conicité inversée et équipée d'une bande chauffante, la température étant régulée par un transformateur régulateur de tension. Le diamètre de l'alésage de la buse doit être suffisamment grand.

Mold: Le système d'alimentation se compose d'un canal d'alimentation, de canaux de coulée et d'orifices de coulée. Le canal d'alimentation doit être court et épais, avec un diamètre supérieur d'environ 1 mm à celui de la buse et une conicité de 3° à 5°. On utilise souvent des canaux de coulée trapézoïdaux, dont les dimensions standard sont les suivantes : la largeur supérieure est trois fois supérieure à la largeur inférieure et la profondeur est deux fois supérieure à la largeur inférieure. Les dimensions des orifices de coulée (par exemple, leur épaisseur) doivent être déterminées en fonction de l'épaisseur du produit et d'autres facteurs ; différents types d'orifices sont disponibles et le choix le plus adapté doit être fait en fonction de la conception du produit.

Processus de moulage: En général, le matériau ne nécessite pas de pré-séchage. Toutefois, ce pré-séchage est nécessaire si les granulés ont été refroidis par immersion dans l'eau ou pour le moulage de pièces de précision. La température du cylindre doit être contrôlée avec précision ; une température trop élevée peut entraîner une décoloration et une décomposition du matériau, tandis qu'une température trop basse nuit à sa plastification.

Extrusion

Utilisez une vis doseuse à pas constant et à diamètre constant avec un rapport L/D de 20 à 24. La section doseuse doit représenter environ 1/4 de la longueur totale de la vis, et le taux de compression doit être de 3 à 4.

La structure de la vis varie selon la viscosité du matériau : vis à canaux profonds pour les viscosités élevées et vis à canaux peu profonds pour les viscosités moyennes. Un pré-séchage est nécessaire si l’absorption d’humidité du matériau dépasse 0.25 %. Les pièces de l’extrudeuse en contact avec le matériau doivent être exemptes de cuivre et d’alliages favorisant la décomposition thermique. Les conditions de procédé spécifiques, telles que le rapport L/D, le taux de compression et la température de la filière, varient selon les produits (tubes, tôles, gaines de câbles, etc.).

Moulage par soufflage

On utilise une machine de soufflage standard, nécessitant des dispositifs de contrôle précis. Le rapport L/D de la vis est de 16 à 20 et le taux d'injection de 2.0 à 3.5. Le matériau du moule est choisi en fonction du produit. La température du moule est généralement comprise entre 93 °C et 127 °C, et la pression d'air de soufflage entre 0.35 et 1.20 MPa. Chaque produit moulé par soufflage (fûts, sacs de voyage, pulvérisateurs, etc.) possède ses propres paramètres de fabrication, tels que le rapport L/D, le taux de compression, la température du fourreau et la vitesse de rotation de la vis.

Usinage CNC

Lors de l'usinage CNC du POM, les ébauches moulées par injection avec une tolérance de 3 à 5 mm sont idéales pour les pièces complexes, tandis que les formes simples peuvent être découpées dans des barres à haute densité (1.41-1.43 g/cm³) en utilisant un refroidissement à l'eau, avec des fixations en alliage d'aluminium et des étaux à mâchoires souples (force de serrage de 5 à 10 kN) ou une aspiration sous vide (≥ 0.1 MPa pour les pièces minces) afin de minimiser la déformation et les contraintes.

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Traitement secondaire

Les caractéristiques d'usinage du POM sont similaires à celles du laiton : il est rigide et dégage peu de chaleur. Il peut être usiné par tournage, sciage, fraisage, perçage, estampage et taraudage.

Applications du POM

Le POM est principalement utilisé pour remplacer les métaux non ferreux (tels que le cuivre, l'aluminium et le zinc) dans la fabrication de divers composants mécaniques, et est largement utilisé dans les secteurs de l'automobile, de la mécanique, de l'électronique, de l'électricité, de la construction et de la plomberie.

Automobile

Le POM est largement utilisé comme matériau économe en énergie dans l'industrie automobile. Ceci s'explique par sa capacité à alléger les véhicules, à réduire la consommation de carburant et à remplacer divers métaux, ce qui diminue l'énergie consommée lors de la mise en forme et de la transformation. Par exemple, l'utilisation du POM pour les poignées de portières et de fenêtres, en remplacement des pièces d'origine chromées ou en acier inoxydable, permet une économie de 23 % et réduit le nombre d'étapes de fabrication de 13 à 5. Comparé à d'autres plastiques techniques, le POM présente une résistance exceptionnelle à de nombreux produits chimiques utilisés dans l'automobile. Le POM copolymère est particulièrement performant à cet égard. Par exemple, grâce à son extrême stabilité face aux liquides de refroidissement automobiles, la plupart des composants de radiateurs automobiles sont fabriqués en POM copolymère.

Le POM est principalement utilisé dans les trois domaines suivants dans l'automobile :

1. Système d'alimentation en carburant du moteur : utilisé pour fabriquer des vannes de vidange de radiateur, des bouchons de radiateur, des réservoirs de trop-plein de liquide de refroidissement, des turbines de pompe à eau, des corps de vannes d'eau, des bouchons de réservoir de carburant, des goulottes de remplissage de carburant, des pompes à carburant, des boîtiers de carburateur, diverses vannes de commande d'échappement, des pédales d'accélérateur et d'autres pièces.
2. Système d'équipement électrique : Utilisé pour fabriquer des ventilateurs de chauffage, des vannes de compresseur d'air, des interrupteurs d'éclairage, des leviers de commande de chauffage, des commutateurs combinés, des engrenages et des supports de roulement de moteur d'essuie-glace et des pompes de lavage.
3. Système de carrosserie : Utilisé pour fabriquer des supports de pare-soleil, des bagues de ressort à lames, des boîtiers de compteur de vitesse, des boîtiers d’engrenage d’antenne, des supports de rétroviseur intérieur, des composants de verrouillage de porte, des poignées de lève-vitre, des cadres et des galets de guidage de vitre, des roulements de fusée de direction, des pièces de frein, des composants de volant et des charnières de compartiment.

Machinerie

Le POM est largement utilisé pour la fabrication de divers engrenages, roulements, ressorts, cames, boulons, écrous, ainsi que de composants structurels pour équipements mécaniques tels que les corps de pompe, les carters et les turbines. Les engrenages, accouplements et roulements en POM sont couramment utilisés comme pièces structurelles pour la transmission de puissance.

Vitrines et Écrans Numériques

Le POM possède un faible facteur de dissipation, une rigidité diélectrique et une résistance d'isolement élevées, ainsi qu'une excellente résistance à l'arc électrique, ce qui explique son utilisation répandue dans l'électronique, l'électroménager et les machines de bureautique. Le POM sert à fabriquer des composants pour téléphones, magnétophones, magnétoscopes, téléviseurs, ordinateurs, télécopieurs, imprimantes, lecteurs CD et VCD, etc., tels que des cadrans et touches de téléphone, des relais et bobines de télévision, des composants de commande d'ordinateur, des pièces de minuterie, des porte-cassettes de magnétophone, des cames et curseurs d'inversion de micro-interrupteurs, des commutateurs et plateaux de changeur CD, des châssis avant d'imprimante et des grilles de haut-parleurs. Le POM est également utilisé pour fabriquer des composants pour divers outils électriques, tels que des boîtiers de clés dynamométriques, de tondeuses à moutons électriques, de foreuses à charbon et des poignées d'interrupteur.

Construction et plomberie

Dans les secteurs de la construction et de la plomberie, le POM est utilisé pour fabriquer des cadres de fenêtres, des lavabos, des réservoirs d'eau, des roulettes pour portes et fenêtres, des roulettes pour petits meubles, des pièces et couvercles de compteurs de gaz, des composants de chauffe-eau, des boîtiers de compteurs d'eau, des raccords de tuyauterie et des robinets. Les robinets en POM coûtent 30 % moins cher que les robinets métalliques classiques et peuvent résister à 2 × 10⁶ Ce matériau supporte des cycles d'ouverture et de fermeture sous une pression de 0.5 à 0.6 MPa, soit l'équivalent de plus de 40 ans d'utilisation. Il présente également des caractéristiques telles que la résistance à la corrosion par l'eau, à l'entartrage et l'autolubrification. Les bornes d'incendie et les raccords de tuyaux d'incendie en POM peuvent résister à des pressions d'éclatement allant jusqu'à 5 MPa.