Guides de conception pour le moulage sous pression de l'aluminium

La conception de pièces moulées sous pression en aluminium présente de nombreux défis. Même un détail mineur peut avoir un impact significatif sur les composants ; par conséquent, chaque détail doit être conçu conformément aux principes directeurs.

Nous répertorions ici plusieurs considérations majeures relatives à la conception structurelle du moulage sous pression de l'aluminium, ainsi que des guides de conception recommandés pour chaque facteur, dans l'espoir de vous aider dans la conception de votre produit.

I. Sélection des matériaux

Le choix du matériau influence considérablement la conception du produit. Chaque alliage présente des limitations. L'obtention d'une intégrité et d'une résistance optimales pour les pièces moulées sous pression en aluminium exige une conception et une exécution rigoureuses.

En fonction des éléments métalliques utilisés avec l'aluminium, les caractéristiques de l'alliage, telles que le poids, la fluidité, la résistance, la conductivité et le point de fusion, varient. Cependant, tous les alliages ne conviennent pas au moulage sous pression.

Les alliages d'aluminium courants que vous pouvez utiliser pour le moulage sous pression comprennent :

• A380
• A383 (ADC12)
• A413

Il existe de nombreux autres alliages d'aluminium. Le choix le plus adapté dépend de vos besoins spécifiques et de votre budget.

II. Angle de dépouille

L'angle de dépouille est l'un des paramètres les plus importants dans la conception des pièces moulées sous pression en aluminium. Il s'agit de la conicité ou de l'inclinaison donnée aux noyaux et aux surfaces de la pièce perpendiculaires au plan de joint du moule.

Les concepteurs doivent prévoir des angles de dépouille suffisants lorsque cela est nécessaire. Sans un angle de dépouille adéquat, la pièce moulée sera difficile à démouler après solidification, ce qui risque d'endommager la pièce ou même le moule.

Pour calculer les angles de tirant d'eau, tenez compte des facteurs suivants :

• La plupart des éléments géométriques adoptent généralement des angles de dépouille communs.
• Pour les murs et surfaces intérieurs, l'angle de tirage est généralement le double de celui des murs extérieurs.
• Les exigences relatives à l'angle de dépouille peuvent varier selon le matériau de l'alliage ; l'angle doit être calculé en fonction de l'alliage d'aluminium sélectionné.

Si l'on souhaite un angle de dépouille plus faible, on peut recourir à des tolérances de précision. Cependant, cela implique un usinage plus précis et des coûts plus élevés. Par conséquent, sauf nécessité absolue, il est recommandé d'éviter les tolérances de précision.

III. Matrices mobiles et fixes

Il est crucial de prendre en compte l'ajustement entre la matrice mobile (moitié éjecteur) et la matrice fixe (moitié couvercle) lors de la conception. Des problèmes avec l'un ou l'autre des composants peuvent entraver l'aluminium. processus de moulage sous pressionLa conception d'un moule mobile présente généralement plus de difficultés car elle implique la prise en compte d'un plus grand nombre de composants, tandis que la construction d'un moule fixe est relativement simple. Lors de l'injection de matière dans le moule, le noyau peut se déplacer sous la pression exercée par l'excédent de matière, ce qui entraîne des pièces moulées surdimensionnées nécessitant une attention particulière.

La tolérance des composants mobiles de la matrice dépend de la tolérance linéaire et de la tolérance de surface projetée. La tolérance linéaire concerne la longueur du porte-noyau, tandis que la surface projetée correspond à la partie supérieure du porte-noyau en contact avec le matériau en fusion.

Un déplacement peut se produire selon une direction linéaire perpendiculaire à la surface projetée. Par conséquent, idéalement, la tolérance des composants mobiles de la matrice doit être réduite au minimum.

Du fait de la conception des équipements de moulage sous pression, seules des tolérances importantes ou positives peuvent être obtenues lors du traitement.

IV. Ligne de séparation

La ligne de joint est l'endroit où les deux moitiés du moule se rejoignent pour former la pièce finale. Élément fondamental du procédé de fonderie sous pression, sa présence est inévitable puisque les produits comportent au moins deux pièces.

La ligne de joint est la limite nette entre les parties mobiles et fixes du moule. Cette limite permet de les distinguer. La tolérance de la ligne de joint correspond à l'écart maximal admissible du moule pour garantir le bon déroulement du processus de moulage sous pression de l'aluminium.

Lorsque la pression exercée sur le matériau tend à séparer les deux moitiés du moule, du matériau s'échappe par la ligne de joint. Ce défaut est appelé bavure en fonderie sous pression. Les pièces moulées nécessitent un ébarbage supplémentaire pour éliminer les bavures, les canaux d'alimentation, les points d'injection et les débordements.

La tolérance de la ligne de séparation dépend de la surface projetée du moule, qui représente la surface de séparation où le matériau fondu passe d'une moitié de moule à l'autre.

Un moule parfaitement fermé ne présente aucun espace entre ses deux moitiés ; la tolérance de la surface projetée est donc toujours positive. Le degré de séparation du moule dépend de la pression dans la cavité et de la force de serrage appliquée pour maintenir les deux moitiés assemblées.

Les tolérances des lignes de joint peuvent varier selon l'alliage, la taille de la pièce et la profondeur. Des tolérances standard et de précision recommandées pour les lignes de joint de fonderie sous pression sont disponibles ; cependant, si la surface projetée dépasse 300 mm², veuillez consulter votre fondeur.

V. Tolérance d'usinage

La surépaisseur d'usinage désigne la quantité de matière première qui peut être enlevée de la pièce finie. pièces de moulage sous pression en aluminiumLa surface d'une pièce moulée sous pression peut présenter une certaine rugosité et des écarts géométriques par rapport au modèle initial. Un usinage secondaire est donc nécessaire après le moulage sous pression pour corriger ces défauts.

Les meilleures propriétés mécaniques et la densité d'une pièce moulée se trouvent généralement en surface ou à proximité. Par conséquent, lors de l'usinage, il convient d'éviter d'enlever trop de matière afin de ne pas compromettre ces propriétés. L'épaisseur de matière doit donc être soigneusement déterminée pour éviter de pénétrer dans les zones de faible densité. Un enlèvement de matière excessif peut engendrer des défauts de fabrication.

Lors de la conception, il est essentiel de définir des tolérances d'usinage précises pour les variables d'usinage et de fonderie. Une tolérance trop faible risque de ne pas satisfaire aux exigences de qualité de surface et d'entraîner des défauts de pièces. À l'inverse, une tolérance excessive augmente les temps de production, la main-d'œuvre et les coûts. Il est donc primordial de déterminer la tolérance d'usinage appropriée. Un dialogue précoce avec vos fournisseurs de fonderie vous permettra de déterminer la tolérance optimale. Nous pouvons vous proposer des solutions adaptées à vos besoins et aux spécificités de votre procédé de fonderie.

En général, la surépaisseur d'usinage minimale recommandée est de 0.2 mm afin de réduire l'usure de l'outil et de minimiser la porosité de la pièce moulée. La surépaisseur d'usinage maximale correspond à la somme de cette valeur minimale et de la déformation de la pièce moulée. Il est donc nécessaire de tenir compte des déformations potentielles survenant lors du processus de moulage pour déterminer la surépaisseur.

Cependant, les pièces plates et de grande taille nécessitent une attention particulière. Dans ce cas, il est conseillé de consulter votre fondeur pour connaître les valeurs de tolérance d'usinage.

VI. Épaisseur de paroi

L'épaisseur de paroi uniforme est essentielle lors de la conception du produit. Le métal doit s'écouler de manière homogène pendant le processus de coulée afin de remplir complètement le moule. Une épaisseur de paroi irrégulière peut entraver l'écoulement du métal et entraîner un remplissage incomplet. De plus, une épaisseur de paroi uniforme favorise un refroidissement et une solidification homogènes, ce qui permet d'obtenir des pièces moulées de meilleure qualité. Par conséquent, le maintien d'une épaisseur de paroi uniforme contribue significativement à améliorer la qualité et l'intégrité des pièces moulées.

Si des contraintes de conception imposent un changement d'épaisseur de paroi, la transition doit être progressive — par l'introduction de congés ou de rayons — plutôt qu'abrupte. Cela permet d'éviter les arêtes vives.

Il convient d'éviter les arêtes vives lors de la conception d'un produit, car elles perturbent l'écoulement du métal et compliquent le démoulage après la coulée. Toutefois, si les parois se rejoignent au niveau de la ligne de joint, il est possible de conserver les arêtes telles quelles, car de légères variations d'épaisseur à cet endroit n'ont généralement pas d'incidence significative sur l'écoulement du métal ni sur le démoulage.

Il n'existe pas de norme fixe pour l'épaisseur des parois des pièces moulées sous pression en aluminium, mais il est généralement recommandé de la maintenir dans une plage raisonnable. L'épaisseur typique des parois des pièces moulées sous pression en aluminium se situe entre 2.0 mm et 3.5 mm.

Cependant, l'épaisseur de paroi dépend également du type d'alliage, de la configuration et des dimensions de la pièce, ainsi que de l'application du moulage sous pression. Par exemple, pour les petites pièces moulées, l'épaisseur de paroi peut être réduite en conséquence, jusqu'à atteindre 0.7 mm.

Pour les pièces moulées sous pression en aluminium de dimensions excessives ou trop petites, des circonstances ou exigences particulières peuvent nécessiter une épaisseur de paroi supérieure aux limites habituelles. En cas de difficulté liée à l'épaisseur de paroi, veuillez consulter votre fournisseur de pièces moulées sous pression.

Des parois plus épaisses peuvent accroître la rigidité des pièces. Cependant, si elles sont trop lourdes, le temps de refroidissement sera prolongé, ce qui ralentira la solidification. Cela peut entraîner une mauvaise qualité de moulage, à moins que des mesures appropriées ne soient prises.

Des parois épaisses alourdissent le produit. C'est pourquoi les concepteurs qui privilégient les pièces légères optent pour des parois fines. Cependant, si les parois sont trop fines, au-delà d'une certaine limite, la rigidité sera insuffisante et la pièce se déformera facilement lors des étapes de fabrication ultérieures.

Les problèmes de déformation peuvent être gérés par un usinage progressif. Cependant, les parois minces des pièces moulées manquent de rigidité et de résistance. L'ajout de nervures de renfort permet d'améliorer considérablement leur rigidité et, par conséquent, leur stabilité.

Les technologies modernes de fonderie sous pression sont suffisamment avancées pour gérer la plupart des paramètres de conception critiques. Cependant, il convient de tenir compte de l'épaisseur des parois si elle influe sur les performances ou le coût de la pièce.

VII. Conception légère

La conception à nervures et la conception à rainures sont deux caractéristiques courantes des pièces allégées. Ces caractéristiques permettent de réduire considérablement la quantité de matériau nécessaire à la production sans compromettre l'intégrité et la résistance de la pièce.

La conception des nervures consiste généralement à créer des espaces creux à l'intérieur de celles-ci afin de réduire la quantité de matériau utilisé et d'alléger ainsi la pièce. Les sections entre les nervures sont souvent peu utiles et peuvent être supprimées sans risque.

Lors de la conception des nervures pour les pièces moulées sous pression en aluminium, tenez compte des points suivants :

• Évitez les arêtes vives sur les nervures : elles peuvent engendrer des concentrations de contraintes et augmenter le risque de rupture. Il est recommandé d’utiliser des congés ou des rayons de courbure, et ces rayons doivent être aussi grands que possible. Un rayon minimal de 1.524 mm (0.06 pouce) est conseillé.
• Veillez à maintenir une épaisseur de paroi uniforme autour des nervures : cela garantit la solidité et la durabilité de ces dernières sur toute la surface. Essayez de conserver une épaisseur proche des valeurs recommandées.
• Fournir l'angle de tirage le plus grand possible.

La conception de cavités est une autre technique permettant de réduire le poids des matériaux. Comme la cavité n'a pas besoin d'être remplie, la quantité de matériau nécessaire est réduite. Cependant, les cavités peuvent parfois entraîner un retrait irrégulier. Par conséquent, les concepteurs doivent choisir avec soin leur emplacement.

Pour renforcer la structure d'un logement, on peut ajouter des nervures. Ces nervures augmentent la rigidité du logement et facilitent l'écoulement du métal lors de la fabrication. De plus, la réduction de la quantité de métal utilisée accélère le refroidissement, ce qui contribue à réduire la vitesse de production globale.

La figure ci-dessous illustre l'effet des évidements avec et sans nervures dans une pièce.

VIII. Côtes

Des nervures sont intégrées à la conception des pièces moulées sous pression en aluminium afin d'en accroître la rigidité et la résistance. Elles contribuent ainsi à la production de pièces de haute qualité. Elles sont souvent utilisées conjointement avec les zones plus fragiles (comme les parois fines) pour les renforcer.

Les nervures offrent souvent une résistance supérieure à celle des sections pleines plus épaisses, car ces dernières ont tendance à être plus poreuses, ce qui réduit leur capacité portante. Cependant, un usage excessif de nervures peut entraîner une concentration des contraintes à leurs extrémités.

Les nervures sont généralement conçues avec des sections creuses, appelées conceptions à cavités permettant d'économiser du métal. Ces méthodes permettent de réduire la quantité de matériau utilisé dans les nervures et d'alléger la pièce.

Les tableaux ci-dessous indiquent les dimensions de nervures recommandées pour les scénarios courants et les situations où les nervures ne doivent pas être utilisées.

IX. Conception des trous et espacement des bords

Dans les pièces moulées sous pression en aluminium, un trou trop proche d'un bord crée un point de faiblesse. Pour éviter une concentration excessive de contraintes à cet endroit, il est impératif de garantir un jeu minimal entre le trou et le bord. L'espacement approprié entre le trou et le bord doit donc être déterminé en fonction du diamètre du trou. De même, une distance minimale doit être maintenue entre deux trous adjacents. Il convient ainsi de considérer simultanément le diamètre des trous et leurs zones de concentration de contraintes.

Il est nécessaire de maintenir un espacement suffisant pour éviter la création de zones fragiles. Si l'espacement entre un trou et un bord est insuffisant, un usinage secondaire du trou peut être envisagé.

X. Trous et fentes

En matière de complexité de conception, les trous et les fentes sont généralement le cadet de vos soucis. Cependant, même pour une pièce moulée sous pression en aluminium des plus simples, une attention particulière doit être portée aux détails de la conception. Il est impératif de garantir la faisabilité du projet dès la conception.

Les applications les plus courantes des trous et des fentes concernent les boîtiers de divers équipements électroniques, tels que les ordinateurs portables et les calculatrices. Ces appareils nécessitent de nombreux trous, ce qui peut engendrer des problèmes de circulation du métal.

• Les trous et les fentes peuvent également compliquer le démoulage. Lors de la solidification et du retrait de la pièce, le moulage peut adhérer au moule. Pour la conception des trous et des fentes, vous pouvez suivre ces suggestions afin de résoudre ces problèmes :
• Prévoyez des angles de dépouille suffisants : les calculs de dépouille montrent que les trous et les fentes nécessitent une dépouille plus importante que toute autre pièce. En effet, le périmètre intérieur d’un trou ou d’une fente est une surface plane et fermée.
• Utilisez des éléments de type pont : pour éviter les problèmes de flux de métal, vous pouvez utiliser des éléments de type pont afin d’assurer un flux de métal continu entre les trous et les fentes.
• Remplacez les grandes fentes par de petits trous : si la conception le permet, les grandes fentes doivent être remplacées par une série de petits trous. Les fentes longues peuvent perturber l’écoulement du métal et compromettre l’intégrité de la pièce moulée.

XI. Fil

Lorsqu'on parle de filetage, on fait généralement référence aux filetages extérieurs moulés. Bien qu'il soit théoriquement possible de réaliser des filetages intérieurs, cette technique est peu utilisée en raison de sa complexité de fabrication et de son coût.

Les filetages extérieurs peuvent être réalisés à l'aide d'un équipement standard de fonderie sous pression d'aluminium, à condition d'être correctement alignés avec la ligne de joint, ou par un simple mécanisme coulissant. Les filetages intérieurs nécessitent un mécanisme de rotation d'un noyau à l'intérieur du moule, ce qui augmente les coûts du moule et de la pièce. Pour des raisons de rapidité de production et de rentabilité, les filetages intérieurs sont généralement réalisés par usinage secondaire, comme le taraudage. Cette méthode évite également l'évacuation des copeaux du trou.

Les équipements de moulage sous pression d'aluminium permettent de réaliser facilement des filetages. Les filetages moulés sont généralement limités aux filetages extérieurs, pour lesquels une précision d'ajustement n'est pas requise.

Si votre pièce doit répondre à des exigences d'ajustement de haute précision, consultez votre fonderie. Un usinage secondaire peut être nécessaire pour atteindre une précision supérieure. De plus, les diamètres principaux doivent respecter les définitions de profil de filetage convenues entre les deux parties.

Le tableau suivant présente les dimensions limites des filetages moulés sous pression :

Lors du moulage de filetages, gardez les points suivants à l'esprit :

• Des opérations de finition supplémentaires peuvent être nécessaires pour éliminer les bavures formées entre les filets.
• Dans la mesure du possible, privilégiez l'utilisation de tolérances directes plutôt que la spécification de types de filetage. Ces valeurs comprennent les tolérances relatives aux composants mobiles de la matrice, aux lignes de joint et aux dimensions linéaires.
• Lorsque des tolérances de filetage plus strictes sont requises, consultez l'usine de fonderie sous pression.
• Le maintien d'un filetage plat au niveau de la ligne de joint simplifie considérablement le processus de fabrication. Un filetage de diamètre maximal n'est pas indispensable. Sa planéité permet de compenser de légers décalages du moule sans incidence sur la pièce.

Le schéma suivant illustre la configuration recommandée pour les threads externes.

XII. Inserts

Un insert est une pièce de matériau solide placée dans le moule et qui fait partie intégrante de la pièce moulée sous pression en aluminium. On utilise des inserts lorsque l'alliage choisi ne répond pas aux exigences et que la conception nécessite l'intégration de composants fabriqués à partir d'autres matériaux.

Il existe des systèmes spécialisés pour les inserts dans le moulage sous pression de l'aluminium. L'insert est placé dans la cavité du moule, et l'aluminium en fusion s'écoule autour pour achever la pièce moulée.

Vous devrez peut-être inclure des inserts filetés dans votre conception lorsque :

• Les points d'appui sont sujets à l'usure.
• Les filetages sont sujets à une usure excessive en raison des démontages et remontages fréquents des fixations.
• Des fils à résistance à la traction plus élevée sont nécessaires pour supporter des charges concentrées.

Le moulage par injection avec insert est plus coûteux que le moulage classique, et la complexité de la mise en place des inserts influe sur les coûts de production.

Suggestions d'encarts :

• Définissez clairement toutes les spécifications techniques nécessaires avec le fabricant de pièces moulées sous pression. En raison des jeux du moule, les inserts requièrent souvent des tolérances plus strictes. Obtenez l'accord du fabricant pour vous assurer que les tolérances des inserts sont suffisantes.
• Si le client fournit les inserts, il convient d'en discuter avec le fabricant afin de vérifier qu'ils respectent les tolérances recommandées. Des inserts mal dimensionnés peuvent endommager gravement le moule.
• Analyser les contraintes causées par l'insert afin de s'assurer qu'elles n'affectent pas les performances à long terme du produit.
• Façonnez l'insert selon les besoins afin de garantir un ancrage suffisant pour les conditions de charge prévues, assurant ainsi la sécurité et la stabilité structurelles.
• Évitez les angles aigus et autres caractéristiques susceptibles de provoquer une concentration de contraintes dans la pièce.

XIII. Conception des rainures et des encoches

Une fente est un trou allongé, dont les extrémités peuvent être arrondies ou non. On la trouve principalement dans les pièces rectangulaires plates en aluminium. Sa longueur est généralement limitée. Une fente est toujours traversante, c'est-à-dire qu'elle traverse complètement la pièce. Selon leur longueur et leur forme, les fentes peuvent être doubles, de longueur limitée, simples ou semi-circulaires.

Les rainures peuvent présenter diverses formes et dimensions, telles que les rainures en T, les rainures en queue d'aronde, les rainures rectangulaires, les rainures à fond plat, les rainures en V et les rainures en arc de cercle. Elles sont généralement usinées le long des bords et servent à fixer des composants fabriqués dans d'autres matériaux.

En matière de conception, les fentes et les rainures servent d'éléments de serrage pour d'autres composants ou offrent des ouvertures pour le passage de pièces telles que des interrupteurs et des leviers.

Conseils pour la conception des fentes et des rainures :

• N'oubliez pas qu'ils peuvent se fixer ou traverser d'autres composants.
• Évitez de placer les encoches trop près les unes des autres, car cela pourrait compromettre l'intégrité des pièces et entraîner des problèmes de production.
• Évitez les arêtes vives dans les rainures rectangulaires ou à fond plat. Arrondissez autant que possible tous les bords internes et externes afin de minimiser les coûts de placage et les défauts potentiels. Pour la même raison, les bords des rainures en V doivent également être arrondis.

XIV. Arêtes vives

Les arêtes vives sont à proscrire dans la conception des pièces moulées sous pression en aluminium. Elles créent des points chauds où les contraintes se concentrent en raison du retrait à la solidification, ce qui rend les angles sujets aux défauts. De plus, le revêtement des arêtes vives est complexe.

Par conséquent, les concepteurs ont tendance à arrondir tous les angles vifs, même avec un rayon minimal. Appliquer des congés, des rayons ou chanfreins à tous les angles vifs internes et externes.

Un autre problème lié aux arêtes vives internes est qu'elles augmentent considérablement le coût des moules. Les coûts d'usinage sont élevés et augmentent fortement avec les exigences de précision.

Il est possible d'obtenir un tranchant parfait pour les arêtes extérieures, mais c'est quasiment impossible pour les arêtes intérieures. Même avec les outils les plus précis, les arêtes intérieures présenteront toujours un rayon minimal.

Vous pouvez appliquer sans risque des arêtes vives le long de la ligne de jointure pour garantir une fermeture parfaite des deux moitiés du moule. Sinon, essayez de minimiser les arêtes vives.

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