Optimisation de la thermique par le Conformal Cooling · Fabrication des outillages d’injection COOLING ... Améliorer la qualité des pièces produites Remplacer le CuBe (matériaux

EXPERTISE ET INNOVATION TECHNOLOGIQUE EN PLASTURGIE

Optimisation de la thermique par le

Conformal Cooling

Guillaume Vansteenkiste, chef de projet PEP


CONFORMAL

COOLINGFabrication des outillages d’injection

Problématique: comment maitriser la température dans le moule d’injection?

Manque de place pour les canaux de refroidissement,

Zone critique difficile d’accès, soit important gradient de température,

Inertie Thermique du moule.

Solution du CONFORMAL COOLING avec l’ADDITIVE MANUFACTURING

Fabrication d’outillage d’injection :

Usinage : refroidissement succession de

cylindres

Fusion Laser : refroidissement avec canaux

complètement libre de forme

Conséquences :

Rapprochement des surfaces moulantes :

gain en temps de cycles (~10 à 40%)

Meilleure répartition des canaux : meilleur

contrôle de la température et une plus

grande homogénéité


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COOLINGAdditive Manufacturing

Grandes familles de Mise en Forme des matériaux :

Par ablation Par déformation Par addition

Sculpture Poterie Architecture

Usinage Emboutissage Fabrication rapide/

Procédé génératif

?


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Principes des procédés génératifs : fabriquer une pièce directement à partir de sa CAO par

apport de matière et sans outillage

Possibilité de créer des formes internes complexes

CAO pièce

Apport de matière

Pièce

Exemple de canal complexe


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Principes de la fusion laser métallique : transformer poudre métallique en bloc de métal


CONFORMAL


Principes de la fusion laser métallique : transformer de la poudre métallique en bloc de métal


CONFORMAL


Exemple de machine de fusion laser métallique:

Machine PHENIX PXL

Machine EOS M270

Caractéristiques machine EOS :Volume de construction : 250 x 250 x 215 mmPrécision : +/- 0.05mmÉpaisseur de couches : 20 ou 40 µm

Caractéristiques machine PHENIX:Volume de construction : 250 x 250 x 300 mm Précision : +/- 0.05mmÉpaisseur de couches : 20, 40 et 80 µm

Poudres utilisées :Acier outillage Maraging (1.2709)Inox 1.4545 PH1

Pour autres domaines d’application:CoCr, Ti6Al4V, Inconel, Aluminium…


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Exemple de machine de fusion laser métallique:


CONFORMAL

COOLINGFusion laser en injection

Objectifs :

Réduire les temps de cycles des moules d’injection

Réduire la durée de mise au point du moule (T° homogène)

Améliorer la qualité des pièces produites

Remplacer le CuBe (matériaux à risque pour la santé)

Technologie :

Fusion laser de poudres métalliques

Réalisé par strates de 40 µm

Caractéristiques acier Maraging (équivalent Z38CDV5) :

Dureté : 37 à 54 HRC après durcissement.

Densité : 99,8 %

Méthodologie :

1. CAO – Etude thermique avec SIGMA 3D

2. Etude fluidique avec FLOWORKS

3. Fabrication par fusion laser

4. Finition UGV 5 axes

5. Contrôle de débit et contrôle thermique (fourniture d’un P.V de contrôle)

6. Traitement thermique (pour obtenir la dureté souhaitée)


CONFORMAL


Retour d’utilisateurs: Fusion laser pour refroidissement

Retour d’utilisateurs: Fusion laser en application Chaud / Froid


CONCEPTION ET REALISATION D’OUTILLAGES METALLIQUESUSINAGE DE PIECES MECANIQUES DE PETITES ET MOYENNES SERIES

GABARITS ET MOYENS DE CONTRÔLE

Accompagnement dans la différenciation Produits/Process/Services

• Technologies Généralistes(mono-matière, multi-matières, dévissage, surmoulage d’inserts, silicone liquide)

• Technologies Innovantes (Plastronique, Optimisation thermique, Chaud/Froid)

■ Contact commercial : Nathalie DIDIERLAURENT21, rue François Rochaix 01104 OYONNAXTél : 04 74 12 12 60 - Fax : 04 74 77 99 85www.technimold.eu

http://www.technimold.eu/


UNE SOLUTION FIABLE DANS LE TEMPS

Deux noyaux en Maraging 180 x 150 x 150 ( Hauteur moulante = 100 mm )Matière : PP 20% FV Recherche d’une régulation homogène Régulation dans des zones inaccessibles traditionnellement Pas de reprise d’usinage des formes moulantes

Bilan :

Production depuis Avril 2008Plusieurs centaines de milliers de pièces produitesAucune anomalie constatée ( fissuration; fuite; grippage; détérioration état de surface )


Moule bi-matière 2+2 empreintes Buse d’injection

Objectif :

Maintien d’une température faible a l’intérieur de la buse dans un environnement de température élevée. Permettre une transition rapide froid/chaud en extrémité.

DU FROID AU CHAUD


Deux noyaux en Maraging 180 x 70 x 115 ( hauteur moulante = 75 mm )Matière P/E Pièce d’aspect grainée sensible à la déformation ( amovible dans le véhicule ) Réguler le sommet du noyau ( largeur 5 mm environ )Maintenir une bonne gèometrie de la pièce a l’état libre

Résultats :

Maxi 3°C de delta de température entre le différentes zones du poinçon en cycle Pincement de la pièce inférieur au millimètre. Aspect zones visibles homogène ( brillance )

Consigne : 40°CConsigne : 12°C

Noyau : 35/36°CNoyau : 18/21°C

MAITRISE DES DEFORMATIONS

Pièce : 84°C maxPièce : 54°C max



CONCLUSIONS

Bilan et perspectives :

Une technologie fiable et éprouvée Une bonne opportunité de différenciation (qualité et cout ) Mais une diffusion encore difficileOutil d’amélioration de performance et non un palliatif

Les axes de progrès :

Rapidité et dimensions des équipements Prix de la techno (matière première et mise en œuvre )


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Retour d’utilisateurs: Fusion laser pour refroidissement

Retour d’utilisateurs: Fusion laser en application Chaud / Froid


AGPDéveloppement

Nombre d’employés: 170

Chiffre d’Affaires: 20 M€

Nombre de moules par an 200

MOULES TECHNOLOGIES MULTI

INJECTION

MOULES HAUTE CADENCE

EMBALLAGE A PAROIS MINCES

MOULES PRODUITS TRES TECHNIQUES

QUI EST AGP Développement

Iso 9001

German Institute

Innovations axées sur la performance des moules

Mandat crédit impôts recherches


TECHNOLOGIE FUSION LASER

Dans le cadre des innovations axées sur la performance des moules:Georges Pernoud propose depuis 8 ans:


LA METHODOLOGIE:

Cibler avec le client l’intérêt de l’utilisation de la fusion laser

- Qualité visuelle. Aspect

- Temps cycle

- Caractéristiques mécaniques du produits

Estimer et comparer un temps de cycle:

Rhéologie par PEP axée sur masses matières ou zones chaudes

Possibilité d’aménager la pièce

Choix de la technologie traditionnelle ou Fusion laser

Estimation comparatif entre temps cycle technologie traditionnelle et Fusion Laser

Pré étude faisabilité du moule en technologie Fusion laser et comparatif prix


Réaliser les empreintes et le moule

Valider les résultats lors des essais:

Essais du moule

Conformités aux hypothèses de départ

Pernoud: Finaliser la pré étude avec intégration des pavés laser et transmission au PEP

PEP: Modélisation des pavés fusion laser: circuits régulation, calculs fluidiques

Pernoud: Validation aspects mécaniques et fiabilité générale du moule

PEP: Réalisation des pavés sur plaque de base Pernoud

Pernoud: récupération des pavés et intégration dans le moule


Un premier moule 2 empreintes à déjà été réalisé par notre client équipementier

Presse 750 Tonnes

Matière: Copolymer PA 6.6

1ER EXEMPLE: COVER CLUSTER OPEL CORSAAnnée 2008

Actuellement les pièces sont peintes pour assurer la qualité visuelle demandée au CDC (surcoût)Le temps de cycle à été rallongé pour gérer la déformation: 70 secondesUn taux de rebuts important

CIBLAGE DE L’INTERET:

Temps cycle: 49 secondesConformité visuelle: suppression de la peintureConformité dimensionnelle: gérer les déformées

ENGAGEMENT SUR OBJECTIFS:


Modification des épaisseurs pour préférentiels de remplissage(validation avec client final)

Modification du point d’injection

Réalisation de l’expertise Rhéologie


Réalisation de l’expertise Rhéologie

Modifier la position de la ligne de soudure sur zone non visible


- Modéliser la régulation.

- Réalisation des noyaux et intégration dans moule

Poudre acier Maraging 1.2709 (traitement revenu à 50 HRC)


ESSAIS DE VALIDATION


VALIDER LES HYPOTHESES

Vue avec caméra thermique du PEP

Homogénéité thermique : ∆ t° < 10 °C


VALIDER LES RESULTATS ET L’ENGAGEMENT

Temps cycle: Initial: 70 sec. – Engagement: 49 sec. – Réalisé: 43 secConformité visuelle: accepté par client final: suppression de la peintureConformité dimensionnelle: Dimensionnel et montabilité acceptée

ENGAGEMENT SUR OBJECTIFS:

Septembre 2012:550000 injections réalisées


Ciblage de l’intérêt:- 2 autres moules à développer en simultané pour assurer la

capacité

- Opportunité de faire un comparatif des 2 technologies avec 1er

moule en technologie classique

BOITIER THERMOSTAT BSE DV EURO 5Année 2009:Matiere: PA 66 GF 30

Presse 250 T

Moule 2 empreintes

1er moule réalisé en technologie classique

Cycle: 48 secondes


CONCLUSIONS SUR LE PRODUIT

Zones à optimiser: caissons

Zone à optimiser en régulation

Zone à optimiser en régulation


ETUDE ET REALISATION

Traditionnel

Fusion Laser


LES RESULTATS:

Homogénéité

thermique sur

pièce à moins

de 10 °C

- La température pièce chute de 20° avec la solution fusion laser- Forte atténuation de la déformation pièce

Classique Avec insert fusion laser

OPTIMISATION FINALE DU PROCESS:

Temps cycle 1er moule: 48 secondesTemps cycle 2eme moule: 35 secondes


UN POINT NEGATIF:

Un des insert s’est rapidement dégradé:- Régulation et circulation d’eau dans cet insert pratiquement inexistante- Production de vapeur d’eau- Oxydation rapide des ponts intérieurs et effondrement du pavé

Remédes:- Un circuit séparé de régulation pour un meilleur débit d’eau

- Remplacement de l’insert avec nouvelle modélisation du circuit

Septembre 2012:600000 injections au compteur sur ce moulePerformance identique au démarrage


Presse: 750 Tonnes

Moule: 2 empreintes

Matière: PA 6.6 GF30

Design figé par client final: fortes épaisseurs liées à contraintes températures et

effort

Les objectifs:

Objectif temps cycle:

- techno classique: 70 sec

- Engagement objectif: 50 sec

REPARTITEUR ADMISSION AIR FORD


Homogénéité

thermique sur

pièce à moins

de 10 °C

Solutions technique: Choix de répartition des pavés Fusion Laser dans les zones massives et réseau de nervures


Nous vous remercions de votre attention


Système chaud-froid

Mise en place d’un système de contrôle en température SISE dans le cadre du projet NewPIM

Problématique d’injection d’un pièce MIM (fortement chargé en particules métalliques) /

synthèse du cahier des charges soumis à la SISE:

Principe : Monter en température pour faciliter l’injection, la répartition des particules et améliorer

les états de surfaces, descendre en température pour éjecter la pièce

Besoin : Mise en dialogue de la presse et du système chaud / froid pour un pilotage en fonction de

la température dans le moule

Choix technique : liquide caloporteur huile, utilisé par ALLIANCE

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COOLING


LA PLASTURGIE SOUS CONTRÔLE

Spécialiste dans les systèmes de contrôle de température et de process dédiés principalement

à l'industrie de transformation des matières plastiques par injection


Le Monde de SISE:La Plasturgie sous Contrôle

Régulation Canaux Chauds

Injection SéquentielleSupervision d'Atelier

Thermorégulation

PSP Contrôle de Process


Régulation thermique d’un moule par technologie chaud – froid + acquisition de mesures dans le moule.

Moule : 1 circuit chaud + 1 circuit froid

Capteurs moule : 2 capteurs de pression empreinte + 1 thermocouple K

Matériel SISE : • 1 thermo a huile SISE pour circuit chaud (travail à 180 °C)• 1 thermo a huile SISE pour circuit froid (travail à 60 °C)• 2 vannes 3 voies + 1 coffret de contrôle du cycle de régulation thermique• 1 système PSP pour l’acquisition des mesures

Le projet NewPIM


Etat initial :•Circuit froid du moule non alimenté= thermo froid en by -pass•Circuit chaud alimenté par thermo chaud•Lancement timer temps de chauffe

Si température T a atteint le seuil haut SH (SH=150°C) ou Timer temps de chauffe atteint :

Autorisation top départ cycle machine

Après un temps TIMER ou evt machine (Top début maintien, top fin maintien, …) :

•Circuit chaud du moule non alimenté= thermo chaud en by -pass•Circuit froid alimenté par thermo froid•Lancement timer temps de refroidissement

Si température T a atteint le seuil bas SB (SB=80°C) ou timer temps de refroidissement atteint :

•Circuit froid du moule non alimenté= thermo froid en by -pass•Autorisation top éjection pièce

Après un temps TIMER ou evt machine :Retour Etat initial

Principe du cycle thermique


Les avantages de l’huile sur cette application

• Température fluide jusqu’à 250°C avec les appareils utilisés

• Sécurité de l’installation : le circuit reste à la pression atmosphérique, pour des températures jusqu’à 350°C

• Pérennité de l’outillage : Pas de risque d’entartrage des circuits de faible diamètre (Ø=2 mm)

• Excellent échange thermique, encore amélioré par l’optimisation des canaux par le « conformal cooling » : profil de température très réactif

La technologie SISE appliquée à l’huile

Pas de « cracking » car:

• Basse densité de chauffe des résistances

• Pas de contact direct entre les résistances et le fluide pas de point chaud

• Maitrise des conditions d’écoulement donc de l’échange thermique en tout point


Les technologies chaud-froid

• Chauffe par vapeur, refroidissement par eau froide


Les technologies chaud-froid

• Chauffe par eau chaude, refroidissement par eau froide

• Maitrise des rampes de chauffe et de refroidissement

•Maitrise de l’homogénéité thermique d’outillages de grande longueur

•Réserve de puissance en chaud et froid


Présentation du PIM

Procédé PIM : Powder Injection Molding:

Combinaison de l’injection plastique et de la métallurgie des poudres (métalliques ou céramiques)

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COOLING

Feedstock : Catamold 316 LG de BASF AG

~ 60% de poudre métallique 316L

+ 40% de liant polymère (POM 90% + PE 10%)


Objectif pour la fusion laser

Système de circulation optimisé pour le chaud/froid :

Chauffe du moule avant injection pour améliorer le remplissage,

Refroidissement après pour augmenter la vitesse de cycle.

Objectifs : Améliorer le remplissage de la pièce lors de l’injection :

Meilleure homogénéité des charges,

Moins de ségrégation.

Canaux imbriqués chaud-froid

CONFORMAL

COOLING


Validation de la Cao des canaux

Etude rhéologique :

Identification des zones chaudes.

Etude fluidique :

Vérification de l’équilibrage,

Simulation de la perte de charge en fonction du débit,

3L/min => 1,4 Bar avec huile, 0,6 Bar avec eau.

Etude thermique :

Validation de l’obtention d’un gradient de T°

suffisant : 70°, avec phase de chauffe de 20s

Etude mécanique :

Usure : 52HRC suffisant pour le PIM

Canaux circulaires suffisamment distants de la surface moulante

(dans le cas contraire, simulation mécanique de l’outillage)

=> Outillage capable de tenir 1 million de cycles

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120

Physical time (s)

Te

mpera

ture

of

Solid

[°

C]

Température minimum

Température moyenne

Température maximale

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COOLING


Fabrication des inserts

Préparation des fichiers pour

fabrication et intégration dans la

gamme opératoire

Broche:

Ajout surépaisseur d’environ 1 mm

pour reprise d’usinage,

(généralement 0,5 mm est suffisant),

Intégration de canaux pour

évacuation de la poudre avant

découpe fils,

Système de centrage pour reprise au

tour.

CONFORMAL

COOLING



Préparation des fichiers pour

fabrication et intégration dans la

gamme opératoire

Matrice:

Ajout surépaisseur d’environ 1 mm

pour reprise d’usinage,

(généralement 0,5 mm est suffisant),

Retrait de matière de 0,5mm pour

surface non fonctionnelle, non en

contact avec le moule,

Intégration support pour fermeture de

la voute,

Comblement des perçages pour les

capteurs.

CONFORMAL

COOLING



Préparation des fichiers pour fabrication et

intégration dans la gamme opératoire

Fabrication:

Inserts fabriqués sur la EOS M270 en acier

maraging 1.2709,

Traitement thermique de vieillissement,

Reprise en usinage par le mouliste:

- tournage et surfaçage de la broche,

- surfaçage de la matrice,

- enfonçage des surface moulantes de la

matrice,

- perçage des emplacements des capteurs

de la matrice.

CONFORMAL

COOLING


Contrôle des inserts

Avant envoi outillage, ou après usinage possibilité de tester sur banc de contrôle :

Validation de l’évolution de la perte de charge en fonction du débit,

Vérification par camera infrarouge du bon comportement en température des inserts :

- célérité de réponse des canaux,

- équilibrage des réseaux,

- révélation d’obstruction.

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 5 10 15 20 25

Broche conventionnelle

Canaux parallèles

Canaux couplés

Débit 3.1L/min par canal

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COOLING


Pièce après déliantage et densification

Résultat avec injection Catamold 316L:

Cycle chaud/froid efficace avec cyclage commandé par capteur thermique

dans le moule,

Meilleur aspect de surface : ouverture de nouveaux domaines

d’application : joaillerie, aéronautique…

Réduction de 70% du temps d’injection avec la fusion laser

Moule traditionnel

Moule fusion laser

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COOLING

Liquide caloporteur / système de

régulationCanaux

Températures

consignes

Temps de cycle

(en s)

Huile / SISE

Usinés 75-140 179

Fusion laser

75-140 50

75-160 71

75-180 73


Synthèse sur la fusion laser

Domaine d’application : Emballage, Electronique, Automobile…

Objectifs : réduire le temps de cycle, remplacer le CuBe, amélioration de l’homogénéité

thermique des pièces.

Gain en temps de cycle validé 10 à 40%, plus généralement 15 à 20% pour refroidissement

conventionnel => Gain de productivité estimé : 15 à 100k€/an.

Surcoût de la fusion laser : 5k€ à 20k€ => Retour sur amortissement : 2 à 9 mois.

Cas chaud-froid : la fusion laser permet un changement de température efficace de

l’outillage, soit un temps de cycle correcte de l’ordre de la minute (le cycle en

conventionnel est à multiplier par 4)

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COOLING

2007 2008 2009 2010 2011

PEP Nbr d’applications outillage SLM 6 15 50 90 110


Contact :

M. Guillaume Vansteenkiste

Chef de Projet R&D

[email protected]

2, rue Pierre et Marie Curie

BP 1204 – Bellignat

01117 Oyonnax Cedex – France

: +33 (0) 4 74 81 92 60

: +33 (0) 4 74 81 92 61

www.poleplasturgie.com

Cré

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mailto:[email protected]

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Système chaud-froid

Résultat avec injection polymère PC:

Température de régulation : température des

thermorégulateurs :

basse 60°C,

haute 180°C,

Consignes températures ; température des capteurs

dans le moule pour injection et éjection :

éjection 80°C,

injection varie entre 120 et 150°C,

Temps de cycle varie entre 60 et 450s

Gain jusqu’à 80% sur outillage conventionnelle,

(Généralement seulement 30 % sur régulation

conventionnelle)

Consignes Conventionnel Fusion laser Gain

80-120°C 170s 60s 65%

80-130°C 170s 61s 65%

80-140°C 260s 67s 75%

80-150°C 450s 80s 80%

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Injection PIM

Résultat avec injection Catamold 316L:

64% en volume de poudre 316L,

36 % en volume de liant, composition du liant :

POM 90% en masse,

PE 10% en masse.

Efficacité de la chauffe peut conduire au retour à un

état mou du polymère si mal maitrisé => nécessité

de maitrise des phases de chauffe et de

refroidissement.

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Optimisation de la thermique par le Conformal Cooling · Fabrication des outillages d’injection COOLING ... Améliorer la qualité des pièces produites Remplacer le CuBe (matériaux