Des joints industriels aux semelles de vos chaussures, les pièces élastomères sont à la fois omniprésentes et uniques. Fabriqués à partir d'élastomères, une famille de polymères semblables au caoutchouc , ces composants flexibles, extensibles et amortissants sont faciles à fabriquer et peuvent être produits de différentes manières.
L'une des méthodes de fabrication de pièces élastomères est le moulage par injection . Il ne s'agit pas du moulage par injection de thermoplastiques, mais de celui de thermodurcissables comme le caoutchouc de silicone liquide : ce matériau est injecté à l'état liquide puis polymérisé pour se solidifier. Mais aujourd'hui, une excellente alternative au moulage par injection de silicone liquide existe : l' impression 3D de matériaux flexibles comme le TPE et le TPU. Ces matériaux, qui ne sont plus réservés à des applications spécifiques, peuvent désormais être imprimés en 3D sur des imprimantes FDM économiques.
Cet article examine les principes de base des pièces élastomères : leurs propriétés, leurs applications et le choix entre le moulage par injection et l’impression 3D.
Qu'est-ce qu'un élastomère ?
Un élastomère est défini comme un polymère présentant un faible module de Young , une déformation à la rupture élevée et une viscoélasticité (combinaison de viscosité et d'élasticité). Parfois simplement appelés caoutchoucs , les élastomères constituent en réalité une catégorie plus large incluant des matériaux non vulcanisés.
En termes simples, les élastomères (polymères élastiques) sont des matériaux qui présentent, à des degrés divers, une élasticité, une flexibilité ou une déformabilité à température ambiante. Cette propriété est due à la faiblesse de leurs liaisons intermoléculaires . Ces caractéristiques rendent les élastomères extrêmement utiles. Comme ils peuvent être pliés et étirés sans se rompre, ils sont utilisés dans de nombreuses applications où un matériau plus rigide serait inadapté.
Les élastomères peuvent être soit thermodurcissables (ne fondent pas lorsqu'ils sont chauffés), soit thermoplastiques (fondent lorsqu'ils sont chauffés). Parmi les élastomères les plus courants, on trouve :
- caoutchouc naturel
- caoutchouc butadiène
- Caoutchouc styrène-butadiène
- monomère d'éthylène-propylène
Cependant, cet article étant axé sur le prototypage et deux procédés de fabrication en particulier, nous nous concentrerons sur le silicone , l'élastomère thermoplastique (TPE) et le polyuréthane thermoplastique (TPU). Le silicone est un thermodurcissable, tandis que le TPE et le TPU sont des thermopolymères et peuvent donc être extrudés par une imprimante 3D.
Exemples de pièces élastomères
Les élastomères sont extrêmement répandus et se retrouvent aussi bien dans des objets du quotidien que dans des assemblages industriels complexes. Nous présentons ici différentes pièces en élastomère, classées par secteur d'activité, ainsi que quelques applications spécifiques à ce matériau.
1. Automobile
Pour les pneumatiques et bien d'autres applications, les élastomères sont essentiels à la production de nombreux composants automobiles.
- Pneus
- équipement d'amortissement des vibrations
- Essuie-glaces
- Composants de suspension
- Joints et joints
2. Industriel
Les élastomères sont largement utilisés dans l'industrie, notamment pour les joints et les garnitures d'étanchéité destinés aux assemblages étanches à l'eau et à l'air.
- Joints et joints
- Isolation électrique
- Bandes transporteuses
- Courroies d'entraînement
- Tuyaux et tubes
3. Gaz de pétrole
Les élastomères, notamment synthétiques, sont utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière, où ils servent souvent à prévenir les fuites de pétrole.
- Joints hydrauliques
- Essuie-tuyaux
- Gobelets Packer
- Tuyaux
4. Biens de consommation
Un très grand nombre de produits de consommation sont fabriqués à partir d'élastomères, des ballons de football aux gommes à effacer.
- Chaussures, y compris les semelles extérieures
- Imperméables
- Éponges
- gommes à crayon
- Articles de sport, y compris les ballons
- Récipients alimentaires
Exemples spécifiques aux matériaux
Cet article étant consacré au caoutchouc de silicone liquide moulable par injection et aux filaments TPE et TPU imprimables en 3D, voici quelques utilisations courantes de ces trois matériaux :
- Silicone: Équipements médicaux biocompatibles, prothèses, dispositifs de sécurité alimentaire tels que bacs à glaçons, joints et garnitures, composants surmoulés
- TPEJoints d'étanchéité, revêtements de bouchons de bouteilles, chenilles de motoneige, composants médicaux (y compris cathéters), manches d'outils, bagues de suspension, composants surmoulés
- TPUBoîtiers électroniques, roulettes, composants médicaux, courroies de transmission, chaussures, articles gonflables, gaines et tubes pour câbles
élastomères moulés par injection
Il existe de nombreuses façons de fabriquer des pièces en élastomère, mais l'une des plus fiables — surtout en grandes quantités — est le moulage par injection.
Le moulage par injection est un procédé de fabrication de pièces en plastique qui consiste à injecter , sous pression, un matériau liquide dans un moule métallique , généralement en acier ou en aluminium. Lors de ce procédé, la presse à injecter introduit le matériau dans le moule, dont la géométrie est une empreinte négative de la pièce finale et qui se compose généralement de deux parties séparées par une cavité.
Le moulage par injection est compatible avec les élastomères thermodurcissables comme le silicone liquide et constitue une excellente méthode pour fabriquer en grande série des pièces souples, résistantes aux chocs et aux températures élevées. Avant le moulage, une solution de silicone bi-composante est mélangée ; l’une des moitiés contient un catalyseur au platine qui permet au silicone de durcir.
Le moulage par injection de silicone liquide permet de produire des pièces telles que des joints, du matériel médical, des équipements de cuisine, des sections surmoulées d'assemblages multi-matériaux, et bien plus encore.
Avantages
Le moulage par injection de silicone présente plusieurs avantages, notamment une production rapide en grande quantité, un niveau de détail élevé, de bonnes propriétés du matériau et un faible coût par pièce pour certaines quantités moyennes à élevées.
Inconvénients
Les limitations du moulage par injection de silicone liquide comprennent les coûts élevés de l'outillage métallique et les restrictions géométriques inhérentes au processus de moulage, notamment les parois minces et les coins arrondis.
Élastomères d'impression 3D
L' impression 3D de filaments flexibles comme le TPE et le TPU constitue une alternative au moulage par injection de silicone liquide . Bien que ces matériaux puissent également être moulés par injection, l'impression 3D offre une solution plus radicale, potentiellement adaptée à différents types de projets, y compris la réalisation de prototypes uniques.
L'un des principaux avantages de l'impression 3D d'élastomères comme le TPE et le TPU réside dans le fait que ces matériaux sont thermoplastiques et peuvent donc être transformés en filament d'impression 3D FDM, adapté à la fusion et à l'extrusion. La technologie FDM est la méthode d'impression 3D la plus économique, tant en termes de coût des machines que de coûts d'exploitation, ce qui permet à tous de fabriquer des pièces élastomères de haute qualité.
Les filaments TPE et TPU ont chacun leurs applications. Le TPU est un matériau plus dur, plus dense et plus rigide que le TPE, offrant une meilleure résistance à l'abrasion et un moindre risque de retrait. Cependant, il est moins flexible que le TPE, qui permet de fabriquer des pièces aussi souples que des élastiques.
Bien qu'il faille être prudent lors de l'impression 3D d'élastomères, en particulier de TPE (les vitesses d'impression doivent être lentes et les extrudeuses à entraînement direct fonctionnent mieux que les extrudeuses Bowden), pratiquement n'importe quelle imprimante FDM peut traiter ces matériaux.
Les pièces élastomères imprimées en 3D les plus courantes comprennent les semelles intermédiaires de chaussures en TPU et les dispositifs électroniques portables, ainsi que les poignées, les tuyaux et les coques de smartphones en TPE.
Avantages
L'impression 3D de filaments flexibles présente plusieurs avantages : un coût très bas même pour les petites séries, l'absence de frais d'outillage et la possibilité de réaliser des géométries quasi illimitées (internes et externes). Ce procédé est donc particulièrement adapté au prototypage d'élastomères.
Inconvénients
Les limitations de l'impression 3D de pièces élastomères à partir de TPE et de TPU incluent la précision et le niveau de détail (comparativement au moulage par injection), la vitesse de production et l'évolutivité, puisqu'il n'y a pas d'économie d'échelle ni en termes de coûts ni en termes de temps.
Conclusion
Le moulage par injection de silicone liquide et l'impression 3D FDM sont deux excellentes méthodes de production de pièces élastomères. Le moulage par injection est privilégié pour la qualité des pièces et la possibilité de production à grande échelle, mais l'impression 3D est une option pratique et abordable pour les prototypes, notamment les pièces uniques.
Lors de la fabrication de pièces ou de prototypes en élastomère, vous devez prendre en compte des facteurs tels que le budget, le nombre d'unités, les propriétés des matériaux requises et les besoins de production futurs avant de décider de votre prochaine étape — une décision pour laquelle 3ERP peut vous aider.
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