Surmoulage de TPE et de plastiques rigides pour améliorer les performances des produits

Le surmoulage est un procédé de fabrication polyvalent qui lie un thermoplastique à un substrat en plastique rigide à l’aide d’un équipement de moulage par injection. Cette méthode offre une puissante combinaison d’esthétique, de haptique et de performance fonctionnelle, offrant des avantages tels qu’une meilleure adhérence, une absorption des chocs, une résistance aux impacts, une meilleure protection de surface et une meilleure isolation chimique pour une expérience tactile améliorée.

Un avantage clé du surmoulage est sa capacité à fusionner de manière transparente plusieurs matériaux en un seul composant durable grâce à une liaison mécanique ou chimique. Cette technique est idéale pour les projets nécessitant des designs personnalisés, de la flexibilité ou des fonctionnalités améliorées, et réduit les coûts de fabrication en consolidant plusieurs pièces en un seul composant intégré.

Guide de référence rapide

Le tableau ci-dessous fournit un aperçu rapide des détails techniques clés, des matériaux et des avantages du surmoulage.

Types de techniques de surmoulage

Ci-dessous une brève description des quatre principales méthodes utilisées dans le surmoulage :

• Plastique rigide sur métal : Un composant métallique sert de substrat, et le plastique est moulé autour de celui-ci. La pièce métallique, qui peut être coulée ou usinée CNC, est placée dans un moule, et du plastique fondu est injecté autour d’elle. Cette méthode, souvent appliquée dans le moulage par insertion/transfert, est idéale pour créer des pièces qui nécessitent la résistance du métal avec la finition esthétique du plastique, telles que les poignées et les boutons.
• Élastomère sur plastique rigide : Une couche d’élastomère est moulée sur un noyau en plastique, créant une surface plus douce pour améliorer le confort et la prise en main. Elle est généralement réalisée par surmoulage à deux injections, où deux matériaux sont injectés séquentiellement dans le même moule. Les applications courantes incluent les poignées, les grips et les boutons d’outils électriques, offrant une sensation durable mais de type coussinet, même sous pression.
• Plastique rigide sur plastique rigide : Le substrat et le matériau surmoulé sont tous deux plastiques. Typiquement, les plastiques ayant des points de fusion similaires sont associés pour assurer une forte liaison. Des exemples de cela incluent des jouets pour enfants avec des poignées souples ou des finitions à plusieurs couleurs.
• Élastomère sur métal : Un substrat métallique est recouvert d’un élastomère, combinant la résistance structurelle du métal aux propriétés résilientes et au toucher doux de l’élastomère. Cette combinaison est idéale pour les outils et les jouets nécessitant un maintien sécurisé à la fois durable et confortable.

Pourquoi choisir des TPE plutôt que des applications de surmoulage ?

Les élastomères thermoplastiques (TPE) sont idéaux pour le surmoulage en raison de leur flexibilité, de leur durabilité et de leur capacité à se lier efficacement avec divers plastiques rigides, comme l’ABS ou le polycarbonate. En combinant la flexibilité et la résistance aux chocs du caoutchouc avec la facilité de traitement des thermoplastiques, les TPE améliorent l’ergonomie, la prise en main et l’esthétique des produits. Cette consolidation de pièces réduit les étapes de montage et diminue les coûts de fabrication.

Les matériaux TPE courants adaptés au surmoulage comprennent le polyuréthane thermoplastique (TPU), connu pour sa haute élasticité et sa résistance à l’abrasion, et le vulcanisat thermoplastique (TPV), qui est caractérisé par une forte résistance chimique et une flexibilité pour les applications automobiles et d’étanchéité.

Sélection de matériaux pour le surmoulage

Bien que les TPE tels que le TPU et le TPV soient largement privilégiés pour le surmoulage en raison de leur flexibilité, de leur durabilité et de leurs fortes capacités d’adhérence, d’autres matériaux tels que le nylon, le polypropylène (PP) et le polycarbonate (PC) sont également des choix populaires pour des applications spécifiques. Le tableau ci-dessous présente ces matériaux couramment utilisés pour le surmoulage, en mettant en évidence leurs propriétés et leurs avantages uniques.

Assortiment et compatibilité des matériaux

La sélection de la bonne combinaison d’un substrat et du matériau de surmoulage est essentiel pour réaliser une liaison solide et garantir les performances du produit. Différents substrats, tels que le polycarbonate ou le polyamide, possèdent chacun des propriétés uniques qui influencent leur compatibilité avec des matériaux de surmoulage comme les TPE.

Le tableau ci-dessous donne une comparaison des substrats courants, de leurs caractéristiques clés, et de leur compatibilité de liaison avec les TPE :

La compatibilité chimique dans le surmoulage est essentielle pour obtenir des liaisons fortes et durables entre les matériaux, assurant ainsi la fiabilité du produit, sa résistance au stress et ses performances à long terme. Le tableau ci-dessous fournit un aperçu complet de la compatibilité des matériaux pour les processus de surmoulage, montrant comment différents matériaux plus souples peuvent se lier efficacement à des substrats plus durs.

Les 10 règles principales pour créer des composants surmoulés

Les 10 règles suivantes fournissent des lignes directrices essentielles pour optimiser le processus de surmoulage et assurer la performance et la durabilité constantes des composants finaux.

1. Assortir la chimie des matériaux : S’assurer que le TPE et le substrat sont chimiquement compatibles pour obtenir une liaison solide et durable.
2. Garantir l’épaisseur du TPE: Maintenir une épaisseur minimale de TPE de 1 mm pour favoriser une bonne adhésion et utiliser des dispositifs de verrouillage mécaniques pour les zones plus fines.
3. Maintenir un équilibre entre l’épaisseur du substrat et celle du TPE: Maintenir l’épaisseur du substrat au moins deux fois supérieure à celle du TPE afin de minimiser la déformation et préserver l’intégrité structurelle.
4. Optimiser les ratios de flux : Maintenir des rapports longueur de flux sur épaisseur (L/T) compris entre 80:1 et 120:1 pour les nouveaux designs de composants afin d’améliorer l’écoulement du matériau et l’adhérence.
5. Sélectionner une taille de point d’injection appropriée : Choisir une taille de point d’injection en fonction du type et de l’épaisseur du TPE, en commençant par des points d’injection plus petits pour contrôler efficacement le flux de matériau.
6. Intégrer la ventilation : Ajouter des évents d’air de 0,01 à 0,02 mm le long du périmètre ou à la fin du remplissage pour éviter les pièges à air et assurer un écoulement régulier.
7. Mettre en œuvre des arrêts de flux efficaces : Concevoir des arrêts de flux précis pour prévenir les bavures de matériau et maintenir des surfaces de pièces propres.
8. Utiliser des systèmes de canaux d’alimentation équilibrés: Pour les pièces de grande taille ou à plusieurs cavités, utiliser un système de canaux d’alimentation équilibré ou un canal chaud pour maintenir un écoulement uniforme et une qualité de liaison constante.
9. Ajouter une texture de surface : Utiliser des surfaces de moule texturées pour prévenir l’adhérence et masquer les imperfections esthétiques pour une finition plus raffinée.
10. Adapter le design pour l’éjection : Utiliser des surfaces de substrat rigides pour faciliter l’éjection des composants surmoulés du moule.

Considérations clés en matière de design pour le surmoulage

Effet de la relation longueur de flux/épaisseur (L/T) sur la résistance au liage

Le rapport longueur de flux/épaisseur (L/T) contribue à une forte adhésion dans les combinaisons TPE-substrat. 

• Température de fusion : La température de fusion des matériaux de surmoulage et de substrat influence le rapport L/T, qui à son tour affecte la résistance au liage.
• Plage L/T recommandée : Lorsque le rapport L/T sort de la plage de 80 à 120 pour 1 unité, le produit surmoulé peut ne pas atteindre une résistance au liage suffisante.
• Rapports L/T élevés: Si la géométrie de surmoulage du composant entraîne des rapports L/T supérieurs à 120:1, plusieurs points d’injection sont recommandés pour le matériau de surmoulage afin d’éviter une mauvaise adhésion due à un écoulement insuffisant du matériau fondu depuis une seule entrée.
• Épaisseur de paroi: Utilisez une épaisseur de paroi minimale de 1,016 mm pour créer une liaison adéquate. Pour les zones de liaison plus fines, utilisez des interverrouillages en TPE pour améliorer l’adhérence.

Retrait du TPE et design du composant

Le retrait du TPE contribue à l’aspect final des pièces surmoulées. Veuillez ajouter les équivalents dans le système métrique

• Valeurs de retrait: Les TPE présentent généralement des valeurs de retrait comprises entre 0,051 mm et 0,356 mm par pouce, tandis que les autres matériaux thermoplastiques de base se rétracte dans une plage de 0,051 mm à 0,356 mm par pouce. Cette différence de retrait peut entraîner un gauchissement ou un désalignement.
• Recommandations d’épaisseur : L’épaisseur du substrat doit être au moins le double de celle du TPE afin de réduire le risque de gauchissement.
• Précaution concernant les nervures : Lors d’un surmoulage TPE, les nervures peuvent parfois agir comme un puits thermique, entraînant un refroidissement inégal qui peut affecter la qualité de la pièce. Pour éviter des problèmes tels que le gauchissement ou les points faibles, designez soigneusement les nervures et, si nécessaire, réduisez-les ou modifiez-les dans les zones sujettes à des défauts comme la fusion ou les marques de succion. Si les nervures sont essentielles pour la résistance, ajustez le processus de refroidissement.
• Bordage : Un bordage peut se produire lorsque le TPE s’étend au-delà du bord du substrat, pouvant entraîner des plis dans le surmoulage. Un design approprié du substrat et un support près des bords contribuent à minimiser ce problème en fournissant une surface stable à laquelle le TPE peut adhérer.

Design de fermeture

Un design de fermeture approprié prévient les bavures de TPE dans le surmoulage.

• Rainures de fermeture : Intégrez des rainures de fermeture dans le design du moule pour prévenir les bavures et permettre à l’air de s’échapper de la zone de surmoulage TPE. Ce design à double usage assure une étanchéité parfaite pour bloquer l’excès de matériau et fournit des canaux pour l’évacuation de l’air.
• Pénétration de l’acier d’outil: L’acier d’outil, un type d’acier à haute teneur en carbone, doit pénétrer le substrat d’environ 0,0762 à 0,1016 mm pour obtenir une fermeture efficace et empêcher la formation de bavures.
• Ventilation via rainures de fermeture : Bien que les rainures de fermeture puissent aider à ventiler la section TPE en permettant à l’air emprisonné de s’échapper, il faut faire attention lors du placement des évents. Un positionnement direct des évents sur les bords de fermeture peut favoriser la formation de bavures, car cela peut créer des écartements permettant au matériau de surmoulage de s’infiltrer.

Effet de la texture de surface sur l’éjection des pièces

La texture de surface du moule influence la facilité d’éjection de l’assemblage surmoulé en TPE.

• Problèmes d’adhérence : Les surfaces en acier poli peuvent causer des problèmes d’adhérence avec les TPE en raison de leur faible énergie de surface, ce qui augmente l’adhésion entre le moule et le TPE. Cela peut rendre difficile le retrait de la pièce. D’autres matériaux, contaminants, éléments de design du moule et conditions de moulage peuvent également contribuer aux problèmes d’adhérence. Les surfaces polies sont particulièrement sujettes aux problèmes d’adhérence avec les TPE.
• Texture recommandée : Établir les spécifications de rugosité de surface maximale et minimale. Une finition sablée ou une texture légère obtenue par électroérosion ne doit pas dépasser une profondeur de 0,0254 mm. En revanche, les sections critiques comme les canaux et les points d’injection doivent présenter une texture plus rugueuse, allant de 0,0762 à 0,1016 mm, pour favoriser l’écoulement du matériau tout en minimisant l’adhérence. 
• Utilisation d’un agent de démoulage : Appliquer un revêtement de démoulage nickel-PTFE sur la texture pour prévenir l’adhérence.

Taille du point d’injection et design du système de canal d’injection

La taille du point d’injection et le design du système de canal d’injection sont des éléments essentiels dans le surmoulage, car ils permettent de garantir un bon écoulement, une uniformité, et une liaison efficace des matériaux :

• Taille du point d’injection : la taille du point d’injection devrait être adaptée aux caractéristiques d’écoulement du type et de l’épaisseur de TPE. Commencez par un point d’injection de petite taille pour contrôler l’écoulement et ajuster si besoin en fonction des propriétés spécifiques du matériau.
• Uniformité du système de canaux d’injection : Pour les pièces multi-cavités de grande taille, un système de canaux équilibré ou un canal chaud doit être utilisé pour assurer un écoulement uniforme et une liaison efficace entre les différents composants. Cette uniformité est essentielle pour obtenir une qualité de pièce constante et une liaison optimale.

Surmoulage vs Moulage par insertion

Le surmoulage consiste à utiliser deux matériaux normalement distincts en moulant une couche supplémentaire sur le matériau de base, tandis que le moulage par insertion est un procédé de fabrication qui consiste à placer des inserts préformés, généralement en métal ou en plastique, dans une cavité de moule. Le tableau ci-dessous est un recueil des aspects les plus importants des technologies de surmoulage et de moulage par insertion :

Points clés pour un surmoulage efficace

Le surmoulage est une technique de fabrication polyvalente qui combine des matériaux pour améliorer des caractéristiques telles que la prise en main, la résistance chimique et l’esthétique, ce qui la rend idéale pour les outils électriques, les appareils médicaux et les pièces automobiles. Les facteurs clés du succès incluent la compatibilité des matériaux, la résistance au liage, le contrôle du retrait et une ventilation adéquate.

Bien que le surmoulage intègre les matériaux de manière transparente, des alternatives comme le collage peuvent être meilleures pour les matériaux chimiquement incompatibles ou les connexions flexibles, idéales pour les produits légers ou complexes. La fixation mécanique offre des joints solides et démontables, ce qui la rend adaptée aux composants lourds ou aux pièces nécessitant une maintenance. Ces méthodes peuvent réduire la complexité et permettre des démontages et des ajustements plus faciles.

Lorsque le surmoulage n’est pas réalisable, avez-vous exploré d’autres méthodes comme le collage, l’assemblage mécanique ou le comoulage ? Quels ont été les principaux facteurs de votre décision et quel a été l’impact de ces méthodes sur le design de votre produit ou sur l’efficacité de sa fabrication ?

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