Procédés de fabrication des pièces plastiques pour le secteur de la connectique
De nos jours, on utilise des pièces en plastiques et polymères dans l’ensemble des applications industrielles. Les plastiques sont désormais un composant essentiel de tous les produits, des biens de consommation aux équipements médicaux. Les plastiques constituent une catégorie de matériaux très polyvalents, avec des milliers de combinaisons polymères possibles, chacun présentant des propriétés mécaniques spécifiques.
Qu’est-ce que la fabrication du plastique ?
La fabrication de pièces en plastique est le processus de conversion de palettes ou de feuilles de plastique en une géométrie conçue. Pour transformer les matières plastiques brutes en la forme fonctionnelle souhaitée, elles doivent être traitées selon un processus de fabrication approprié. Cela peut impliquer ou non la fonte des plastiques bruts. Par exemple, la coulée sous vide fait fondre les plastiques pour mouler la forme, tandis que l'usinage CNC enlève la matière à l'aide d'outils de coupe rotatifs.
Facteurs à considérer pour choisir un procédé
- Forme : Vos pièces présentent-elles des caractéristiques internes complexes ou des exigences de tolérance strictes ?
- Volume/coût : Quel est le volume total ou annuel de pièces que vous comptez fabriquer ?
- Délai de production : Dans quel délai devez-vous produire des pièces ?
- Matériau : À quelles contraintes et déformations devront résister vos pièces ?
Tout concepteur ou ingénieur travaillant en développement de produits se doit de bien connaître les options de production industrielle existant aujourd'hui, ainsi que les nouvelles qui présagent des processus futurs.
Principaux types de plastiques utilisés
Plusieurs types de plastiques peuvent être traités par la fabrication du plastique pour produire des pièces et des produits conçus, PE, PP, PVC, ABS, etc. Ces plastiques ont des propriétés d'applicabilité uniques.
| Matériau | Propriétés clés | Applications typiques |
|---|---|---|
| Polypropylène (PP) | Robuste, résistant à la chaleur | Pièces automobiles, électronique |
| Polyéthylène (PE) | Résistant, léger | Conteneurs, dispositifs médicaux |
| Polychlorure de vinyle (PVC) | Durable, adaptable | Tuyauterie, câblage |
| Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS) | Résistant aux chocs, usinabilité | Boîtiers électroniques, pièces automobiles |
| Polycarbonate (PC) | Transparence, résistance aux chocs | Composants optiques, boîtiers |
| PMMA (Acrylique) | Clarté optique | Signalétique, vitrines |
| PEI, PEEK | Haute stabilité thermique | Automobile, aérospatial, électrotechnique |
Procédés de fabrication courants
Moulage par injection
Le moulage par injection consiste à injecter un thermoplastique fondu dans un moule. On fait fondre des granulés de thermoplastique, que l’on injecte dans un moule à l’effigie de la pièce plastique à l’aide d’une vis sans fin. Le moulage par injection plastique est une méthode largement utilisée dans la production de composants en plastique. Les moules pour l'injection sont extrêmement complexes et doivent respecter des tolérances serrées pour produire des pièces de grande qualité. En raison des fortes températures et pressions auxquelles ils sont soumis, ces moules doivent être usinés à partir de métaux tels que l'acier renforcé.
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Malgré des coûts initiaux élevés et des cadences lentes de mise en place, le moulage par injection n'a pas de concurrent pour des applications à gros volume de production. Une fois que l'outillage est prêt et fonctionne, les temps de cycles sont de l'ordre de quelques secondes et des millions de pièces peuvent être produites pour un coût réduit par rapport à tous les autres procédés de fabrication. Le moulage par injection peut produire des pièces extrêmement complexes mais certaines formes géométriques vont augmenter significativement le coût.
Moulage par soufflage
Le moulage par soufflage fonctionne à des pressions bien moins élevées que le moulage par injection, ce qui contribue à faire baisser le coût d'outillage. Le soufflage est une méthode largement employée pour la production de pièces en plastique creuses, comme des bouteilles. Pour réaliser une pièce par soufflage, il suffit de faire fondre des granules de thermoplastique dans un moule nommé préforme. La technique consiste d’abord à injecter la matière pour en faire une préforme avec un col définitif. La préforme est ensuite réchauffée puis soufflée à la forme désirée.
Le moulage par soufflage est le procédé le plus utilisé pour fabriquer des produits en plastique à grande échelle. Totalement automatisé et très rapide, l’injection soufflage convient tout à fait pour la fabrication de grandes séries d’éléments en plastique, en particulier dans l’industrie automobile.
Rotomoulage (moulage par rotation)
Le rotomoulage consiste à charger un moule avec de la poudre de plastique, généralement du polyéthylène. On va ensuite faire tourner ce moule sur deux axes afin de répandre le polymère, que l’on fait fondre en même temps, sur chaque partie du moule. Le moulage par rotation ou roto-moulage est l'un des processus simples de fabrication du plastique qui consiste à placer la poudre de polymère à l'intérieur du moule chauffé et à la faire tourner selon deux axes, vertical et horizontal.
Le rotomoulage permet de fabriquer des pièces avec des parois d'épaisseur à peu près uniforme et sans soudure, et le coût par pièce est très bas par rapport à la taille de la pièce. Il est surtout utilisé pour produire de grandes pièces creuses, des citernes, des bouées, de grands conteneurs, des jouets, des casques et des coques de canoë.
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Extrusion et extrusion-soufflage
En extrusion, les matières plastiques se présentent sous forme de granulés. On les passe dans une filière. Le procédé est un processus de fabrication à grand volume dans lequel la matière plastique brute est fondue et formée en un profilé continu. Cette méthode va servir pour la fabrication de longueurs et la machine permet la découpe au cm près, voire des kilomètres !
L'extrusion-soufflage utilise le même principe que l'extrusion : on fait descendre une paraison dans un outillage, le moule vient enfermer la paraison, la matière est soufflée et on obtient un corps creux. L’extrusion est utilisée pour la fabrication de tubes, de cornières, de canalisations ou encore de profilés en PVC (fenêtres).
Thermoformage (formage sous vide)
Le formage sous vide ou thermoformage est un procédé de fabrication dans lequel un plastique est chauffé et mis en forme, généralement à l'aide d'un moule. Dans le processus de thermoformage, une fine feuille de thermoplastique d’une taille donnée est serrée en place, chauffée à une température de ramollissement du matériau, puis poussée contre la surface d’un moule par le vide. Une fois refroidie, la pièce thermoformée conserve la forme du moule. Les coûts d'outillage pour le moulage sous vide sont bas comparés à ceux d'autres procédés.
Moulage par compression
Lors du moulage par compression, un matériau plastique préchauffé est introduit dans une chambre de moulage ouverte et chauffée. Après la fermeture du moule, une pression et une chaleur sont appliquées au matériau jusqu'à ce qu'il prenne complètement sa forme. Ce procédé est particulièrement adapté aux pièces de grande taille comme les boîtiers électriques ou les panneaux automobiles, et est utilisé avec les matériaux thermodurcissables.
Coulée sous vide
La coulée sous vide consiste à produire une petite série de pièces fonctionnelles ou de prototypes. Il est donc nécessaire de disposer d'un maître-modèle doté d'une finition de surface de haute qualité. Le moule en silicone RTV est ensuite utilisé et le moule est rempli avec une résine liquide ou de caoutchouc, qui réagissent chimiquement et se solidifient. Les moules en silicone RTV permettent d'obtenir des pièces moulées de grande qualité, à haut niveau de détail.
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Usinage CNC
L'usinage CNC recouvre le fraisage, le tournage et d'autres procédés de fabrication soustractive commandés par ordinateur. Ces procédés s'appliquent à des blocs, de barres ou des tiges solides, de métal ou de plastique, auxquels on enlève de la matière pour les mettre en forme, par découpe, alésage, forage et ponçage. L'usinage CNC est idéal pour de petites séries de pièces en plastique requérant des tolérances serrées et présentant des formes difficiles à mouler.
L'usinage présente des coûts faibles à modérés et permet de produire des composants en plastique avec temps de production rapides à partir de nombreux matériaux. L'usinage est soumis à plus de contraintes de géométrie des pièces que l'impression 3D ; le coût par pièce usinée augmente avec la complexité de la pièce.
Impression 3D (fabrication additive)
La fabrication additive, parfois appelée impression 3D, crée des objets par superposition de matériaux. Rapide et polyvalente, elle est idéale pour la fabrication en petites séries de pièces plastiques complexes et le prototypage. Il existe sur le marché de nombreux types d'imprimantes et de procédés d'impression 3D, et les matériaux utilisés varient en fonction du procédé.
Principales technologies : stéréolithographie (SL) qui utilise des résines photopolymères, modélisation par dépôt fondu (FDM) qui extrude du filament thermoplastique, et frittage sélectif au laser (SLS) qui fusionne des poudres comme le Nylon. Les systèmes compacts d'impression 3D d'atelier sont abordables et permettent d'augmenter le nombre d'itérations et d'accélérer les cycles de production.
Avantages et limites par rapport aux applications de connectique
L'injection plastique est notamment appréciée pour la fabrication en moyennes et grandes séries, de pièces de petites et moyennes tailles. Le moulage par injection convient à pratiquement tous les types de thermoplastiques. Parmi ses autres avantages : le prix par pièce est faible, la pièce peut être d’une grande précision et les possibilités sont infinies. En revanche, il n’est pas adapté aux pièces creuses et il est nécessaire d’avoir des angles de dépouilles (facilite le démoulage).
Pour des pièces en connectique présentant des tolérances serrées et des exigences dimensionnelles, l'usinage CNC et le moulage par injection sont des procédés courants. Pour des géométries internes complexes, l’impression 3D peut être le choix approprié. L'usinage offre une meilleure stabilité dimensionnelle à long terme que la stéréolithographie et un large choix de matériaux industriels usinables comme l'ABS, le PC, le PEI et le PEEK.
Contrôle qualité et assurance
Dans l'industrie du plastique, le contrôle qualité est essentiel pour produire des produits fiables et de haute qualité. Il implique une série de tests, d'inspections et de processus visant à garantir que chaque composant répond aux normes requises. Tester les matériaux plastiques sur des caractéristiques telles que la résistance à la traction, la consistance des couleurs et l'indice de fluidité garantit que le matériau répondra aux critères d'utilisation finale.
Le contrôle des paramètres du processus de moulage permet de surveiller la pression d'injection, la température du moule, le temps de refroidissement et la durée du cycle afin de garantir qu'aucun composant ne présente de défauts tels que des retassures, des déformations, des injections incomplètes ou des brûlures. Les pièces finies doivent être soumises à des tests d'assurance qualité approfondis : essais mécaniques, analyse dimensionnelle et essais environnementaux.
Choisir un fabricant de pièces plastiques
De nombreux facteurs doivent être pris en compte : forme, volume, coût, délai et caractéristiques matérielles. Pour la production de petites séries, des techniques telles que l'impression 3D et l'usinage CNC sont souvent préférées. Pour la production en grande série, le moulage par injection et l'extrusion s'imposent. Pour les séries moyennes, le moulage silicone ou la coulée sous vide peuvent offrir un compromis.
Il est important d'étudier le projet avec des professionnels du plastique afin d'optimiser la conception pour la fabrication (design for manufacturing, DFM) et de choisir le procédé le plus économique et le plus pertinent techniquement.
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Processus annexes : préparation des matériaux et finition
La préparation des matériaux est la première étape : extraction et raffinage des matières premières issues du pétrole, du gaz naturel ou du charbon. La polymérisation permet de créer les polymères plastiques : addition pour le PE et le PP, condensation pour le nylon et le polyester. Après polymérisation, l'ajout d'additifs (stabilisants, colorants, retardateurs de flamme, plastifiants) améliore la couleur, la résistance, la flexibilité et la stabilité aux UV.
La finition comprend les opérations de post-traitement : perçage, peinture, impression, revêtement et polissage. Le type de technique de finition employé dépend des exigences du produit fini, par exemple la peinture pour assortir des pièces plastiques aux couleurs d'un véhicule.
Évolutions et conseils pratiques
Les technologies évoluent : l'impression 3D additive a réduit les temps et coûts de prototypage, tandis que des services rapides d'usinage CNC peuvent livrer des pièces en peu de temps. L'usinage a connu des progrès décisifs et l'impression 3D offre des solutions pour des géométries impossibles à usiner. Un autre aspect important est de prévoir si la pièce passera à terme en production de grande série : une pièce usinée ouvre plus naturellement la voie au moulage par injection qu’une pièce fabriquée par impression 3D.
La matière plastique elle-même évolue, face notamment à la nécessaire transition écologique. Enfin, les réseaux de sous-traitants, tous experts dans leur domaine, permettent de répondre à l’ensemble des besoins des secteurs comme l'automobile, l'électronique et la connectique.
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