L’usinage CNC et l’injection plastique pour la production de pièces mécaniques dans l’électronique

Cet article présente l'usinage CNC et le moulage par injection comme des technologies de fabrication populaires pour la production de pièces mécaniques, telles que les connecteurs, les dissipateurs thermiques et les boîtiers, pour des appareils électroniques. Ce contenu est destiné à apporter des conseils sur les procédés de fabrication et matériaux utilisés pour fabriquer les pièces qui entourent les composants électroniques, et non les composants en eux-mêmes.

L’usinage CNC et le moulage par injection sont des options de premier plan pour la production de pièces mécaniques destinées à l’industrie électronique, avec leurs propres atouts et considérations. L’usinage CNC offre précision et flexibilité pour les pièces personnalisées et des délais courts, tandis que le moulage par injection est reconnu pour son efficacité et sa reproductibilité. Comprendre les subtilités de ces technologies, notamment la compatibilité des matériaux, la flexibilité de la conception et la capacité de production, permet aux ingénieurs et aux concepteurs de produits de choisir le processus de fabrication optimal.

Pourquoi choisir l’usinage CNC pour l’électronique ?

Le choix de la technologie de fabrication va dépendre de nombreux facteurs. Il est avant tout nécessaire de garantir le fonctionnement et la fiabilité des appareils électroniques. Une haute précision est donc essentielle. Les composants tels que les boîtiers métalliques, les connecteurs ou les dissipateurs thermiques par exemple, nécessitent des tolérances très précises pour s’adapter parfaitement aux assemblages électroniques.

Des tolérances serrées et une répétabilité du processus sont donc indispensables. L’usinage est la technologie qui permet d’obtenir les meilleures tolérances et de travailler avec un panel de matières qui est presque infini (il suffit d’avoir un bloc ou une barre de cette matière). Cela permet de concevoir des produits qui répondent parfaitement à l’environnement dans lequel l’appareil va être utilisé.

Si la tôlerie est idéale pour produire des pièces rentables d’épaisseur constante qui peuvent être coupées ou pliées, elle a tendance à être moins précise que l’usinage. Toutefois, les matériaux disponibles pour la tôlerie sont similaires à ceux de l’usinage CNC, de sorte que les caractéristiques des matériaux et les finitions mentionnées ci-dessous s’appliquent également aux tôles.

Aluminum heat sink installed on a computer circuit board for cooling chips
Dissipateur thermique en aluminium installé sur un circuit imprimé d’ordinateur pour refroidir les puces

Compatibilité électromagnétique de l’usinage CNC pour les pièces telles que les connecteurs ou les dissipateurs thermiques

Il est important d’assurer la compatibilité électromagnétique des appareils. C’est pourquoi la conception d’appareils ne doit ni causer ni souffrir d’interférences électromagnétiques avec d’autres appareils. Concrètement, il est nécessaire de prévoir un blindage électromagnétique qui consiste, par exemple, à enfermer l’appareil électronique dans un matériau conducteur tel que de l’acier ou de l’aluminium pour bloquer les ondes électromagnétiques. Cela peut être fait en usinage et en tôlerie. Il est aussi possible d’appliquer un revêtement conducteur sur les pièces pour simplement créer une couche conductrice en nickel. L’usinage est également adapté à la fabrication de connecteurs, notamment de nombreux petits composants en cuivre.

Matériaux d’usinage CNC pour l’électronique

Les pièces de supports complexes peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, en fonction des besoins spécifiques de l’application et souvent de l’environnement. Généralement dans un produit électronique, les pièces vont avoir des fonctionnalités différentes, d’où la combinaison nécessaire de propriétés mécaniques, électriques et thermiques.

Par exemple, l’aluminium est utile pour sa fonction de dissipateur thermique. A l’inverse, un besoin d’isolation peut être résolu avec des polymères (plastiques), comme l’ABS, le POM (Delrin/Acetal) ou le Polyamide (Nylon) qui sont très standards. A l’inverse, le PEEK est beaucoup plus onéreux et rigide, même s’ilpossède aussi des propriétés isolantes.

Le tableau ci-dessous compare les propriétés des matériaux les plus couramment utilisés dans l’usinage CNC pour l’industrie électronique :

Matériau Type de matériau Résistance à la traction (MPa) HDT à 0,46 MPa (°C) Dureté
Aluminium 6061 Métal 180 – 260 N/A 65 – 85HB
ABS Polymère 37 100 70D
POM (Delrin/Acetal) Polymère 66 – 67 156 81D
Nylon 6 / PA 6 Polymère 82 100 83D
PEEK Polymère 96 152 81D

Finitions de surface de l’usinage CNC pour les pièces esthétiques telles que les boîtiers

Les finitions de surface adéquates pour l’électronique s’appliquent principalement aux métaux. En effet, les plastiques sont généralement choisis pour leurs propriétés intrinsèques et ne nécessitent pas de post-traitement. Certaines de ces finitions de surface peuvent très légèrement augmenter l’épaisseur de la pièce, comme le revêtement par poudre ou l’anodisation. Au contraire, l’électropolissage peut très légèrement la réduire. Il est donc important de préciser sur le plan les tolérances souhaitées après traitement, afin que ces dernières soient prises en compte lors de la fabrication des pièces. 

On distingue trois catégories de finitions de surface :

  • Finitions sans réaction chimique
  • Finitions avec réaction chimique sans électrolyse
  • Finitions avec réaction chimique avec électrolyse

L’électrolyse consiste à utiliser un courant électrique pour provoquer une réaction chimique ne se produisant pas spontanément. Pour ce faire, les pièces sont plongées dans un liquide conducteur et sont reliées à la borne positive du générateur. Ces pièces agissent en tant qu’anodes, perdant des électrons dans le processus. L’électrolyse force alors l’oxydation des pièces, entraînant ainsi la réaction chimique souhaitée.

Finition Type Définition Résultat Matériaux appropriés
Microbillage Sans réaction chimique Pulvérisation d’un flux pressurisé de petites billes sur la surface de la pièce pour éliminer les bavures et les imperfections en laissant une finition lisse L’aspect obtenu est uniforme, satiné et mat Tous types de métaux et de plastiques
Revêtement par poudre Sans réaction chimique Application d’une poudre sèche fluide sur une pièce. Contrairement à une peinture liquide normale qui utilise un solvant d’évaporation, le revêtement par poudre est appliqué électrostatiquement puis durci sous la chaleur ou la lumière UV Surfaces plus lisses, meilleure résistance à la corrosion. Possibilité de colorer la pièce avec un panel infini de couleurs possibles En général, les matériaux les plus adaptés sont l’aluminium et les alliages d’acier
Passivation Avec réaction chimique sans électrolyse Immersion de l’acier inoxydable dans un bain d’acide pour dissoudre le fer et renforcer ainsi l’action protectrice de l’oxyde de chrome naturellement formé  Plus grande résistance à la corrosion Acier inox
Nickelage chimique Avec réaction chimique sans électrolyse Une couche uniforme d’alliage Nickel-Phosphore est appliquée sur la surface de la pièce. Cette dernière est ensuite plongée dans un bain qui contient des sels de nickel et des agents réducteurs de phosphore. Le placage de nickel est uniforme, ce qui donne à la pièce une densité de courant et une résistance homogènes Meilleure résistance à l’usure mécanique et à la corrosion, augmentation de la conductivité électrique Tous types de métaux
Anodisation Avec réaction chimique avec électrolyse La pièce est trempée dans un électrolyte, généralement de l’acide sulfurique, où elle agit en tant qu’anode. L’oxygène s’écoule vers la pièce et réagit pour former un oxyde d’aluminium à la surface, protégeant la pièce contre la corrosion. Il existe différents types d’anodisation :

  • Type II, qui est davantage cosmétique que protecteur (couche d’anodisation d’environ 15 microns, possible de faire des anodisations colorées)
  • Type III, également appelée « dure », offre une protection plus robuste en raison d’une couche plus épaisse, atteignant jusqu’à 50 microns. Cependant, cette épaisseur accrue a tendance à assombrir naturellement les pièces. Généralement, seules des nuances de gris foncé ou noir sont disponibles pour cette anodisation.
Protége contre la corrosion, prolonger la durabilité des pièces, assurer leur non-conductivité et  améliorer leur esthétique. Le rendu peut être brillant, ou mat si la pièce a été préalablement microbillée Aluminium
Électropolissage Avec réaction chimique avec électrolyse L’anode est une pièce en acier inoxydable. Le courant agissant plus fortement sur les micro-rugosités de la surface, celle-ci s’aplanit et devient moins rugueuse. Cette technique s’avère particulièrement intéressante pour réaliser des micro-ébavurages et éliminer les éventuelles incrustations d’impuretés lors de la fabrication de la pièce. Un avantage supplémentaire est que le fer se dissout également plus rapidement en surface, provoquant comme en passivation, une très légère couche protectrice d’oxyde de chrome. Surface plus lisse. Plus ou moins brillante en fonction de la durée d’immersion Acier inox
Électrogalvanisation / Galvanisation électrolytique Avec réaction chimique avec électrolyse Cette technique consiste à déposer une fine couche de zinc sur une pièce métallique par électrolyse. Une barrière protectrice empêche alors la corrosion. Le zinc, également bon conducteur, peut améliorer l’aspect esthétique des pièces  Meilleure résistance à la corrosion, finition brillante et uniforme Tous types de métaux

Électropolissage

Nickelage chimique

Passivation

Anodizing black

Anodisation noire

Bead blasted

Microbillage

Anodizing black
Bead blasted

Pourquoi choisir le moulage par injection pour l’électronique ?

Le moulage par injection est une méthode de fabrication populaire pour la production de boîtiers, de prises et de supports de composants en raison de ses nombreux avantages, en particulier pour la production de pièces en plastique de haute qualité, homogènes et économiques :

  • Coût compétitif pour la production en série : une fois le moule fabriqué, le coût par pièce est très faible, et il diminue avec le volume de production. C’est donc une option économiquement viable pour la fabrication en grande série de pièces entrant dans la conception d’appareils électroniques. 
  • Consistance et reproductibilité : une fois l’outillage qualifié, il permet de produire des pièces identiques. En règle générale, un outillage est garanti pour quelques dizaines ou centaines de milliers, voire plusieurs millions de pièces. L’excellente reproductibilité des pièces assure une uniformité de qualité tout au long de la durée de vie du produit à fabriquer. Des “moules famille » sont également envisageables. On produit alors différentes pièces en même temps dans un outillage, par exemple une pièce gauche et une pièce droite. Ainsi l’assemblage sera constant dans le temps.
  • Précision dimensionnelle : le moulage par injection permet d’obtenir de très hautes tolérances pour répondre à la complexité de conception des appareils électroniques. Il va permettre de fabriquer des pièces de toutes tailles, notamment très petites, avec des détails très fins, mais aussi avec une excellente qualité de surface. Ceci peut s’avérer intéressant, car en plus de leur fonctionnalité intrinsèque, les pièces nécessitent souvent un certain aspect esthétique.
Injection family mold
Exemple de moule “famille” pour l’injection plastique

Il est toutefois important de prendre en compte les nombreuses contraintes liées à la fabrication de l’outillage, notamment en ce qui concerne le démoulage des pièces. De plus, pour obtenir un résultat optimal lors de l’injection, il est essentiel que l’épaisseur de la pièce soit relativement constante, généralement autour de 3 mm maximum, avec des nervures internes plus fines représentant environ 50% de cette épaisseur. Par conséquent, la conception de la pièce doit être spécifiquement adaptée à l’injection, ce qui peut limiter la liberté de conception par rapport à l’usinage ou à l’impression 3D.

Conceptions spécifiques de l’injection plastique pour l’électronique

Assemblages

Dès la conception, il est possible d’anticiper l’assemblage des produits électroniques. Avec des assemblages assez classiques, on peut prévoir des petits bossages dans les pièces pour pouvoir venir placer ensuite des vis autotaraudeuses, pour notamment fixer les cartes électroniques. Il est aussi aisé de concevoir des systèmes de clipsage qui fonctionnent très bien avec le moulage par injection.

Surmoulages

Avec le moulage par injection, différents types de surmoulage sont envisageables. 

  • L’ajout d’inserts métalliques filetés permet de fixer efficacement les autres composants. Cette méthode est particulièrement avantageuse lorsque le produit nécessite un montage et un démontage répétés pour assurer une durabilité optimale – contrairement aux vis autotaraudeuses dans les bossages plastiques.
  • D’autres types de pièces en métal peuvent également être surmoulés, telles que des languettes de cuivre par exemple. Cela permet de positionner très précisément tous les petits éléments connecteurs. Dans ce cas, l’objectif du surmoulage est de sceller et de protéger les composants électroniques et/ou les câbles, assurant ainsi leur intégrité et leur durabilité.
  • Le surmoulage appelé bimatière offre de nombreuses possibilités, notamment lorsque l’on combine une pièce rigide avec une pièce souple. Cette approche réduit le nombre d’étapes d’assemblage, ce qui se traduit par des économies de temps et d’argent lors de la conception. De plus, cela peut potentiellement améliorer l’étanchéité des produits, offrant une meilleure résistance à l’eau, à la poussière, à l’humidité ou à la pression, par exemple pour les boîtiers. Il est également possible d’intégrer une zone de boutons souples sur une coque. L’efficacité du surmoulage dépendra largement de la conception de la pièce. Par exemple, une accroche mécanique entre les deux plastiques ou une accroche chimique peuvent être envisagées. Dans ce cas, le choix du matériau est crucial car toutes les matières ne sont pas compatibles.
overmolded handle on a power drill
Poignée surmoulée d’une perceuse électrique

Soudure par ultrasons

Enfin, en ce qui concerne les conceptions, les assemblages qui se révèlent intéressants avec les pièces en injection sont les assemblages par soudure, en particulier la soudure par ultrasons, également appelée soudure par vibration. Il est généralement nécessaire de concevoir la pièce avec le cordon de soudure déjà présent. Cette technique est très utile pour créer des joints solides sans endommager les composants. De plus, tout comme dans le cas du surmoulage, cela permet de sceller de manière permanente deux composants.

Matériaux de moulage par injection pour les composants tels que des connecteurs et des supports

Une très large gamme de matériaux peut être utilisée en moulage par injection. Il est possible de choisir des matières très spécifiques en fonction des applications électroniques et des contraintes environnementales. Les appareils électroniques requièrent souvent des matériaux isolants et résistants à la chaleur afin d’assurer leur fonctionnement optimal et sécurisé. 

Quelques exemples de matériaux couramment utilisés :

  • L’ABS et le nylon sont très utilisés dans l’électronique grand public en raison de leur polyvalence et de leur coût relativement bas.
  • Le polycarbonate est souvent privilégié lorsque la transparence est nécessaire, tout en offrant des caractéristiques plus techniques.
  • Les élastomères, avec différentes duretés Shore A, sont utilisés pour apporter de la flexibilité et éventuellement une résistance aux chocs.
  • Des matériaux comme le PPS ou le PEEK offrent une excellente résistance à la chaleur, au feu et ont d’excellentes propriétés mécaniques.

Le tableau ci-dessous compare les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux de moulage par injection les plus courants :

Matériau Type de matériau Résistance à la traction (MPa) HDT à 0,45 MPa (°C) Dureté
ABS Polymère rigide 45 83 (1,8 MPa) 110R (Rockwell)
Nylon 6, PA 6 Polymère rigide 85 177 80D
Nylon 66, PA 66 Polymère rigide 80 200 N/A
Polycarbonate (PC) Polymère rigide 62 135 N/A
PPS Polymère rigide 100 280 N/A
TPE Élastomère 1,7 N/A 56A
TPV Élastomère 1,88 N/A 60A

Les valeurs indiquées dans ce tableau sont génériques et peuvent varier d’un fournisseur à l’autre. Toutes les valeurs ont été tirées de fiches techniques génériques sur ulprospector.com

Ces choix de matériaux sont à déterminer en fonction des exigences spécifiques de chaque application, qu’il s’agisse de propriétés mécaniques, de résistance aux températures élevées, de transparence ou d’autres caractéristiques requises.

Finitions de surface en moulage par injection pour l’électronique

Tout d’abord, il faut noter la différence avec l’usinage CNC où les finitions évoquées pour les pièces métalliques ont majoritairement pour objectif d’améliorer les caractéristiques des pièces avec un post-traitement. En injection, le plastique a déjà les caractéristiques souhaitées. La peinture est donc à éviter car elle pourrait s’écailler et potentiellement modifier l’inflammabilité de la pièce. 

En revanche, il est possible d’obtenir différents états de surface pour des raisons esthétiques ou pour faciliter l’assemblage, en fonction de la rugosité choisie. Le moule lui-même est travaillé avant la production des pièces, pour obtenir différents états de surface généralement selon les normes SPI, ou VDI. Ainsi, les pièces auront l’état de surface déterminé par l’outillage et non pas par une opération post-fabrication. Il est à remarquer que toutes les matières ne permettent pas d’obtenir les mêmes résultats en termes d’états de surface.

Injection moulding SPI surface finishes

Finitions de surface SPI pour l’injection plastique

Injection moulding VDI surface finishes

Finitions de surface VDI pour l’injection plastique

Injection moulding SPI surface finishes
Injection moulding VDI surface finishes

Il y a néanmoins certains post-traitements assez fréquents en injection, notamment dans l’électronique, par exemple pour marquer les emplacements des boutons ou pour apposer un logo. Différents types de post-process de marquage sont disponibles.

  • Tampographie : procédé de photogravure indirecte,  il est utilisé pour imprimer des images détaillées et de haute qualité sur des objets aux formes et surfaces inégales. Ce procédé est souvent réservé pour de grosses quantités.
  • Sérigraphie : solution phare pour les cartes électroniques destinées à recevoir des composants. Une feuille métallique sert de pochoir pour déposer la crème à braser et ainsi distinguer les zones conductrices du circuit imprimé. 
  • Lithographie EUV (Extreme Ultra Violet): ce procédé permet une impression en différentes couleurs (toujours selon les spécificités des plastiques). La lumière ultraviolette extrême est utilisée pour graver des motifs extrêmement fins sur des plaques de silicium.

Matériaux spécifiques pour l’électronique

Matériaux homologués UL 94

L’inflammabilité est souvent l’un des critères les plus cruciaux pour l’électronique. Les matériaux sont généralement soumis à des tests, conformément à la norme UL 94. Cette norme évalue le comportement des plastiques en cas de combustion, en tenant compte de diverses orientations et épaisseurs, allant de la moins ignifuge à la plus ignifuge. Ainsi, si une matière est classée UL-94 V0, l’épaisseur va être obligatoirement spécifiée (par exemple 2mm). Cette dernière doit être respectée pour bénéficier d’une caractéristique ignifuge de grade V0.

De plus, il est préférable de choisir des couleurs plutôt classiques. Il est plus judicieux de commencer avec une matière qui est déjà blanche V0 ou noire V0, plutôt que d’opter pour une couleur plus exotique ou d’ajouter un colorant. Non seulement le pourcentage de colorant ajouté peut influencer les caractéristiques de la pièce, mais il est également beaucoup plus difficile d’obtenir une teinte précise avec une matière V0 qu’avec une matière classique.

Enfin, dans le cas d’une fabrication de très grandes séries avec une couleur spécifique, il est envisageable de demander à un fabricant de matières de produire un grade de matière personnalisée déjà coloré en masse et classé V0. 

Le tableau ci-dessous fournit une liste des matériaux classés UL 94 V-0 pour l’usinage CNC et le moulage par injection :

Type Matériaux classés UL 94 V0
ABS Polylac PA-765
ABS/PC Bayblend FR3010
PA Technyl A 20 V25 (25% glass fibre)
PBT CCP 4115 104F (15% glass fibre)
PEI ULTEM 1010
PPS Fortron 1140L4 (40% glass fibre)
PC Lexan 3413R 40 GF
PEEK Victrex 450g

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Materials ESD

Les matériaux ESD (ElectroStatic Discharge) sont essentiels dans la production de pièces mécaniques pour l’électronique, particulièrement dans le moulage par injection. Ils protègent contre les décharges électrostatiques potentiellement dommageables. En utilisant des polymères conducteurs ou dissipateurs d’électricité, ils dévient les charges électrostatiques des composants électroniques sensibles. Cela réduit les risques de défaillance des appareils électroniques, garantissant fiabilité et durabilité. 

De plus, ces matériaux offrent souvent des propriétés mécaniques supérieures, comme la résistance à la chaleur et la durabilité, adaptées aux applications électroniques exigeantes. En bref, ils assurent la qualité et la longévité des pièces mécaniques, prolongeant la durée de vie des appareils électroniques.

Fibres

En optant pour une matière chargée en fibres, il est à noter que le risque de déformation s’accroît en raison du processus d’injection. Ainsi, si des tolérances précises ou une planéité sont impératives, le risque est encore plus élevé. Il est alors crucial d’anticiper la conception du point d’injection. Il peut être nécessaire de réaliser une étude rhéologique afin de mieux comprendre le comportement du matériau. Il est également conseillé de prévoir un grand nombre de nervures pour renforcer la pièce et réduire au maximum les risques de déformation ou d’instabilité. Cela permet d’éviter que la pièce ne se déforme ou ne se voile. 

Conseils pratiques avant de commander des pièces pour l’électronique

Voici 6 conseils pratiques pour améliorer le déroulement de votre projet et éviter les problèmes courants lors de la création de pièces mécaniques pour l’électronique :

  • Établir un plan 2D le plus détaillé possible, en plus du modèle CAO en 3D. 
  • Intégrer toutes les dimensions critiques en fonction des tolérances requises dans le dessin 2D. Il est également intéressant de communiquer l’assemblage du produit final et non de la pièce unique. Le fabricant peut alors concevoir au mieux l’outillage en fonction.
  • Concevoir les pièces dans le sens “retouche” de l’outillage : il est préférable de prévoir une pièce comportant, par exemple, des nervures un peu plus fines. Ensuite, si l’on constate réellement des zones qui ne sont pas conformes aux tolérances souhaitées, il est plus facile de réusiner l’outillage et ainsi d’épaissir la pièce.
  • Spécifier le “grade” (par exemple, type d’alliage pour les métaux, prétraitement) pour les matériaux pour assurer le bon choix selon les propriétés demandées. Par exemple, le matériau ABS existe dans de nombreuses marques et variétés avec des propriétés différentes, telles que la classification UL 94. Il est donc fortement recommandé de fournir des informations détaillées sur le matériau requis.
  • Éviter les matériaux à fibres si les tolérances sont trop étroites pour assurer la stabilité des dimensions
  • Privilégier des couleurs génériques pour ne pas modifier les caractéristiques du matériau pour les matières UL94-V0
  • Éviter les peintures pour ne pas impacter la performance de l’inflammabilité
HDD external enclosure case
Boîtier externe du disque dur

Boîtiers, connecteurs et autres composants pour l’électronique chez Xometry

Xometry propose des services d’usinage CNC et de moulage par injection pour toutes vos pièces personnalisées conçues pour l’électronique. Nous avons déjà soutenu de nombreuses entreprises dans le domaine de l’électronique pour les aider à trouver des solutions et à produire des pièces sur mesure.

Voici quelques exemples de réussites d’entreprises électroniques avec Xometry :
  • Pièces usinées CNC de précision pour des coupes nanométriques dans la recherche biologique (ConnectomX)
  • Pièces usinées CNC sur mesure pour moderniser des machines obsolètes et améliorer leur performance (Devitech)
  • Composants en aluminium usinés CNC pour le premier calibrateur portable pour capteurs chimiques (T4i Engineering)
  • Station moulée par injection pour un livre vidéo (memperience)

Grâce à notre moteur de devis instantané, vous pouvez facilement comparer et choisir la meilleure technologie pour vos besoins spécifiques. Il vous suffit de télécharger votre fichier CAO pour obtenir un devis instantané pour l’usinage CNC avec les prix et les délais de livraison. Pour tous les projets de moulage par injection, vous recevrez un devis personnalisé dans les 48 heures.

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