Pour juger si un procédé peut fabriquer une pièce, pose-toi trois questions : comment la matière prend forme, quelle trace le procédé laisse sur la géométrie, combien coûte une pièce selon la série. Exemple : 100 000 coques de télécommande en plastique ABS. Le plastique fondu remplit un moule fermé, donc parois d'épaisseur constante et faces inclinées pour démouler ; le moule, très cher, se répartit sur 100 000 pièces : c'est l'injection. Pour trois prototypes, une imprimante 3D, sans outillage, fera mieux.
La méthode en trois questions
En PTSI, le programme de sciences industrielles de l'ingénieur demande, au semestre 2, d'« évaluer la capacité d'un procédé à réaliser une pièce plastique » ou composite, de façon qualitative (programme PTSI-PT, 2021). Le métal et l'usinage viennent en deuxième année, en PT.
Étape 1 : Le phénomène physique. La matière est-elle fondue puis figée dans un moule, empilée couche par couche, ou imprégnée autour de fibres puis durcie ?
Étape 2 : La trace sur la géométrie. Ce qui sort d'un moule doit pouvoir en sortir ; ce qui s'empile doit tenir pendant l'empilement. Les règles de conception viennent de là : si tu en oublies une, repars du phénomène.
Étape 3 : Le coût selon la série. Un outillage, comme un moule, est un coût fixe F partagé entre N pièces, plus un coût c par pièce (matière, énergie, temps machine). Une pièce coûte donc F ÷ N + c.
L'injection plastique
L'injection travaille surtout les thermoplastiques, des plastiques qui ramollissent à la chaleur et redurcissent en refroidissant (ABS, polypropylène, polyamide). Une vis pousse la matière fondue, sous forte pression, dans un moule fermé et refroidi. On maintient la pression pendant que la matière se rétracte (c'est le retrait), puis on éjecte la pièce. Cycle court, moule très cher : l'injection vise les grandes séries.
Ses règles viennent de deux faits : la pièce doit sortir du moule, et le plastique se rétracte en refroidissant.
La dépouille. Les faces qui suivent le sens d'ouverture du moule sont légèrement inclinées par rapport à lui, souvent d'un ou deux degrés. Sinon la pièce, qui se resserre sur le noyau (la partie du moule qui forme son intérieur), frotte à l'éjection.
L'épaisseur constante. Une zone épaisse refroidit et se rétracte après ses voisines : elle laisse un creux en surface, la retassure, ou voile la pièce. On évide les zones massives et on rigidifie par des nervures, de fines parois de renfort.
Les congés. Ce sont les arrondis des angles intérieurs. Le plastique fondu remplit mal un angle vif, et un angle vif concentre les contraintes : c'est là que la pièce fissure.
Les contre-dépouilles. Une forme qui bloque la sortie de la pièce, comme un trou dans une face latérale, exige un tiroir, une partie mobile du moule qui se retire sur le côté. Le moule coûte plus cher : mieux vaut modifier la forme.
Piège classique : épaissir une paroi pour la rigidifier. La zone épaisse crée une retassure et allonge le refroidissement, donc le cycle. La bonne réponse, ce sont des nervures.
Les procédés additifs
Un procédé additif construit la pièce couche par couche à partir de son modèle 3D, sans outillage. Au dépôt de fil fondu, une buse chauffée dépose un thermoplastique en cordons : peu coûteux, mais d'une précision limitée par le diamètre de la buse. En stéréolithographie, une lumière ultraviolette durcit une résine liquide : pièces précises et lisses. Au frittage laser, un laser fond la poudre aux endroits voulus, et la poudre restée libre soutient la pièce.
Une couche ne se pose pas dans le vide : une partie en porte-à-faux, qui avance au-dessus du vide, demande des supports dès qu'elle est trop inclinée. Pour le fil fondu, la règle courante place la limite vers 45° par rapport à la verticale. Une surface inclinée montre des marches de la hauteur d'une couche : c'est l'effet d'escalier.
Au fil fondu surtout, les couches adhèrent moins entre elles que les cordons d'une même couche. La pièce est anisotrope (ses propriétés dépendent de la direction) : plus fragile dans le sens de l'empilement. Son orientation sur le plateau est donc une décision de conception.
Sans moule à amortir, une pièce coûte à peu près pareil à l'unité ou à la centaine, mais occupe longtemps la machine : l'additif gagne pour les prototypes, les petites séries et les formes impossibles à démouler, comme un canal intérieur courbe.
Piège classique : imprimer la pièce dans sa position d'usage. Oriente-la pour que les efforts suivent les couches (exercice 4).
Les pièces composites
Définition : un matériau composite associe un renfort, en général des fibres de verre, de carbone ou d'aramide, et une matrice, souvent une résine, qui lie les fibres, leur transmet les efforts, les protège et donne sa forme à la pièce.
Ici, le matériau naît en même temps que la pièce. Les fibres résistent très bien en traction dans leur direction, beaucoup moins en compression : on les oriente selon les efforts, et l'anisotropie devient voulue. La matrice est souvent un thermodurcissable (polyester, époxyde) : une résine liquide qui durcit par réaction chimique et ne refond plus.
| Procédé | Principe | Pièces obtenues | Série |
|---|---|---|---|
| Moulage au contact | Tissus imprégnés au rouleau, à la main, sur un moule ouvert | Très grandes pièces, une seule face lisse (coques de bateau) | Petite |
| RTM (moulage par transfert de résine) | Résine injectée à basse pression sur des fibres sèches, dans un moule fermé | Bel état de surface partout | Petite à moyenne |
| Enroulement filamentaire | Fibres imprégnées enroulées sur un mandrin (moule intérieur) en rotation | Pièces de révolution creuses : tubes, réservoirs sous pression | Grande |
| Pultrusion | Fibres imprégnées tirées en continu à travers une filière à la forme du profilé | Profilés à section constante | Grande, en continu |
Côté conception, percer un composite coupe des fibres et risque de décoller ses couches (le délaminage) : on limite les perçages.
Exercices corrigés
Du plus direct au niveau d'un contrôle.
Exercice 1 : Choisis pour chaque pièce un procédé parmi fil fondu, enroulement filamentaire et pultrusion, et justifie. a) Un réservoir cylindrique de gaz sous pression, en carbone et époxyde, produit en série. b) Des montants d'échelle en fibre de verre, de section constante, par milliers. c) Deux supports de capteur traversés par un canal intérieur courbe.
Correction :
a) Enroulement filamentaire : pièce de révolution creuse, dont les fibres enroulées travaillent en traction sous la pression.
b) Pultrusion : section constante, production en continu.
c) Fil fondu : deux pièces seulement, pas d'outillage à payer, et un canal intérieur impossible à démouler.
Exercice 2 : Données fictives. Un boîtier en ABS peut être injecté (moule à 18 000 €, puis 0,40 € par pièce) ou imprimé par fil fondu (6,00 € par pièce, sans outillage). 1) Calcule le coût d'un boîtier injecté pour une série de 500, puis de 20 000. 2) À partir de combien de boîtiers l'injection devient-elle moins chère ?
Correction :
1) Un boîtier coûte F ÷ N + c. Pour 500 : 18 000 ÷ 500 + 0,40 = 36,40 €, contre 6,00 € à l'impression. Pour 20 000 : 18 000 ÷ 20 000 + 0,40 = 1,30 €.
2) Les coûts totaux s'égalisent quand 18 000 + 0,40 × N = 6,00 × N, soit 5,60 × N = 18 000, donc N ≈ 3 214,3. L'injection devient moins chère à partir de 3 215 boîtiers. Contrôle : 18 000 + 0,40 × 3 215 = 19 286 €, contre 6,00 × 3 215 = 19 290 €.
Exercice 3 : Un boîtier en ABS à injecter a des parois de 2 mm, des faces latérales parallèles au sens d'ouverture du moule, des angles intérieurs vifs, un plot plein de 8 mm de diamètre pour une vis et un trou dans une face latérale. 1) Repère les problèmes de moulage et corrige-les. 2) Un camarade veut passer les parois à 4 mm pour rigidifier le boîtier. Qu'en penses-tu ?
Correction :
1) Faces latérales sans dépouille : la pièce frotterait à l'éjection, on les incline d'un ou deux degrés. Plot plein de 8 mm, quatre fois la paroi : il refroidit en dernier et crée une retassure, on l'évide en tube de paroi proche de 2 mm. Angles vifs : on ajoute des congés. Trou latéral : contre-dépouille, donc tiroir ; si la fonction le permet, on le remplace par une encoche ouverte sur le bord, qui se démoule dans le sens d'ouverture.
2) Mauvaise idée : plus de matière, un refroidissement et donc un cycle plus longs, et aucun défaut réglé. On garde 2 mm et on ajoute des nervures là où le boîtier fléchit.
Exercice 4 : Un crochet mural en L, imprimé par fil fondu en couches de 0,2 mm, tient dans un rectangle de 80 mm de haut sur 50 mm de large, avec 12 mm d'épaisseur partout. Son bras vertical est vissé au mur, son bras horizontal porte un sac. Orientation A : posé à plat. Orientation B : debout comme au mur, bras horizontal sur le plateau. 1) Combien de couches dans chaque cas ? 2) Quelle orientation choisis-tu ?
Correction :
1) Nombre de couches = hauteur sur le plateau ÷ épaisseur d'une couche. A : 12 ÷ 0,2 = 60 couches. B : 80 ÷ 0,2 = 400 couches.
2) Le sac fait fléchir le bras horizontal, et la flexion remonte dans le bras vertical près de l'angle. En B, les couches sont horizontales : dans le bras vertical, la flexion tire perpendiculairement aux couches, là où elles adhèrent le moins, et le crochet peut se rompre le long d'une couche. En A, les efforts restent dans le plan des couches. Aucune des deux orientations ne demande de supports : la résistance tranche, on choisit A.
À retenir
À retenir :
- Juger un procédé : phénomène physique, trace sur la géométrie, coût F ÷ N + c selon la série.
- Injection : dépouilles, épaisseur constante, congés, pas de contre-dépouille sans tiroir ; grandes séries.
- Additif : sans outillage ; supports, effet d'escalier, fragilité entre les couches ; prototypes et petites séries.
- Composite : le matériau naît avec la pièce, fibres dans le sens des efforts ; le procédé fixe la forme possible.
Sources
- Programme de sciences industrielles de l'ingénieur de la filière PTSI-PT, ministère de l'Enseignement supérieur, de la Recherche et de l'Innovation, 2021 : texte sur éduscol STI.