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Nov 13, 2023

Fondamentaux de la conception du moulage par injection : Snap

Michel Paloïan | 15 novembre 2019 L'un des plus grands inconvénients du plastique

Michel Paloïan | 15 novembre 2019

L'un des plus grands inconvénients des matières plastiques est leur flexibilité et leur rigidité relativement faible. L'un des plus grands avantages des matières plastiques est leur flexibilité et leur faible rigidité. Votre perception de laquelle de ces affirmations est vraie dépend de la façon dont vous, en tant que concepteur, optimisez les propriétés inhérentes des matériaux plastiques. Personnellement, je préfère cette dernière affirmation, en particulier lorsque je conçois des produits esthétiquement attrayants et faciles à assembler avec un minimum de matériel.

À un moment donné, tous les produits nécessitaient l'assemblage de centaines de vis, ce qui exigeait une quantité considérable de main-d'œuvre et de pièces. L'esthétique de la conception finale était souvent compromise par de nombreuses vis et attaches exposées. Les concepteurs industriels d'aujourd'hui ne veulent pas que les attaches exposées compromettent l'esthétique de leurs conceptions de produits, et les ingénieurs de fabrication subissent des pressions pour produire des produits de haute qualité plus efficacement. La solution à ce paradoxe apparent consiste à utiliser des emboîtements comme moyen d'assemblage de pièces parfaitement adapté aux matériaux plastiques. Le reste de cet article sera consacré à la discussion de toutes les considérations associées à la conception appropriée d'ajustements instantanés.

Avant de discuter des types de conceptions à encliquetage et de leurs paramètres de conception associés, j'aimerais me concentrer sur certaines exigences fonctionnelles de base pour les verrous encliquetables, qui sont répertoriées ci-dessous.

Bien qu'il existe trois types de base de verrous à encliquetage - annulaire, en porte-à-faux et de torsion - ils partagent tous les considérations de conception énumérées ci-dessus.

Serrure à ressort annulaire

L'attribut distinctif d'un verrou à encliquetage annulaire est la fixation de l'élément de verrouillage en saillie à une paroi ou un bord contigu qui doit se déformer pour permettre à la saillie de verrouillage de s'encliqueter sur l'élément de verrouillage d'accouplement. À mon avis, ces verrous encliquetables sont les plus difficiles à concevoir, prototyper et optimiser car les forces appliquées pour déformer et emboîter deux pièces ensemble sont très difficiles à calculer ou à prévoir. Les verrous à pression annulaires sont souvent présents dans les bouchons de bouteilles, les bouchons de stylos, les récipients en plastique et les boîtiers électroniques grand public à faible coût. Les performances d'un verrou à encliquetage annulaire dépendent fortement des matériaux des deux pièces d'accouplement, des épaisseurs de paroi et de la quantité d'interférences. D'autres considérations critiques incluent la taille et la géométrie des pièces, les tolérances de moulage, la planéité et l'emplacement sur une surface.

Verrouillage encliquetable en torsion

Les verrous à enclenchement torsionnel conviennent parfaitement à toute application nécessitant un verrouillage radial, comme un verrou à cliquet, un verrou de sécurité pour bouchon de bouteille fileté ou un verrou à déclenchement par poussée. Concevoir un verrou à encliquetage torsionnel est beaucoup moins compliqué à prévoir qu'un verrou annulaire mais plus difficile qu'un simple encliquetage en porte-à-faux. La partie de torsion sollicitée du verrou doit être conçue pour fléchir dans la contrainte de travail élastique du matériau tout en induisant suffisamment de forces pour remplir sa fonction souhaitée. Les pressions des doigts pour engager ou désengager le bouton-pression doivent également être confortables pour la personne moyenne. Ces pressions seront fonction de la surface du bouton de déverrouillage et de la force nécessaire pour dévier le claquement. De plus, le composant logiciel enfichable doit être conçu pour faciliter le moulage, les tolérances, les propriétés des matériaux et la durée de vie du produit.

Verrouillage en porte-à-faux

Les serrures à encliquetage en porte-à-faux sont les serrures à encliquetage les plus couramment spécifiées et les plus faciles à concevoir. Ils sont basés sur une poutre simple, qui est conçue pour dévier d'une quantité spécifiée en fonction de la hauteur du mousqueton. Le profil du mousqueton est généralement conçu avec un profil de triangle rectangle avec un bord d'attaque effilé, un triangle équilatéral ou une configuration en demi-rond. Un profil à angle droit fournira un verrouillage très sûr qui ne peut être démonté que dans des conditions normales en relâchant manuellement le bouton-pression. Les profils équilatéraux et demi-ronds permettent d'encliqueter ou de déclipser deux pièces simplement en les pressant ou en les écartant. Nous examinerons les considérations de conception associées à chacune de ces options d'accrochage en fonction de la liste de paramètres précédente.

Fléchir dans les limites de résistance du plastique

Tous les verrous à déclic sont basés sur les mêmes principes de déformation temporelle des matériaux avec des caractéristiques de verrouillage telles que des crochets et des crans d'accouplement, qui peuvent s'emboîter en revenant à leur état d'origine sans contrainte. Tous les verrous à déclic doivent être conçus pour limiter les déformations du matériau dans les limites de résistance à la traction d'un matériau afin d'éviter une déformation permanente. Les serrures à déclic conçues pour un usage unique ou moins de cinq flexions répétées pourraient être conçues avec des contraintes allant jusqu'à la limite élastique du matériau. Cependant, les contraintes induites dans les verrous à déclic destinés à un usage répété ne doivent pas dépasser le niveau de contrainte de travail maximal du matériau, qui est généralement d'environ 50 % de sa limite élastique. Il convient également de noter que les propriétés mécaniques des plastiques varient fortement avec la température. Par conséquent, la limite élastique et la contrainte de travail constante maximale admissible doivent être basées sur les conditions thermiques.

Les calculs pour déterminer la force requise pour fléchir une fonction d'accrochage sont basés sur les paramètres suivants :

Les forces, les contraintes et les déviations maximales admissibles pour les trois types d'accrochages peuvent être estimées sur la base d'équations ou déterminées plus précisément à l'aide d'une analyse par éléments finis (FEA). La complexité des calculs dépend de la géométrie de la pièce, des hypothèses, des matériaux et du type de verrouillage par encliquetage.

Snap annulaire

Les calculs d'accrochage annulaire sont souvent basés sur un seul matériau fléchissant tandis que l'autre est fixe. Si les deux pièces sont supposées fléchir, les déviations sont réduites de 50 %, ce qui suppose que les deux matériaux sont identiques et ont la même épaisseur de paroi. Le frottement est également ignoré. La formule la plus courante pour un composant logiciel enfichable annulaire est limitée aux formes cylindriques avec un membre représenté comme une partie solide pressée dans une autre partie flexible. Le calcul de la déformation est relativement facile, comme indiqué ci-dessous :

La déformation doit rester inférieure au maximum autorisé dans la courbe contrainte-déformation linéaire du matériau à une température de travail spécifique. Cependant, les calculs de la force d'insertion sont un peu plus compliqués car ils nécessitent un facteur géométrique X, qui représente la rigidité géométrique des deux pièces d'accouplement. La force d'insertion de base est calculée à l'aide de l'équation ci-dessous :

F=y •d•E s •X

Toutes les variables ci-dessus sont faciles à définir sauf X, le facteur géométrique, qui est spécifique à la géométrie. La formule ci-dessous est utilisée pour calculer X pour la géométrie annulaire d'un arbre rigide et d'une bague extérieure flexible. Il a été fourni à titre de référence.

Si le tube extérieur est rigide et l'arbre intérieur est élastique, la formule est identique à celle ci-dessus sauf que v, le coefficient de Poisson, a une valeur négative par rapport à plus comme indiqué ci-dessus.

Ces calculs conviennent aux formes cylindriques simples mais ne s'appliquent pas aux formes plus complexes, telles que les boîtiers électroniques, les contenants alimentaires, les jouets et des centaines d'autres. Dans ces cas, la FEA doit être utilisée pour prédire avec précision les forces d'insertion, les déviations admissibles et la force de rétention maximale.

Un exemple FEA d'un composant logiciel enfichable annulaire appliqué à une petite boîte moulée par injection est illustré ci-dessous :

Le détail du 0.03-in. La fonction d'accrochage est illustrée dans les images FEA ci-dessus. La boîte de gauche est modélisée en polycarbonate et celle de droite est en polyéthylène. La distorsion de ces images a été grandement exagérée pour illustrer le type de déformation qui se produit lorsque le composant logiciel enfichable est fléchi. Les contraintes maximales dans chaque analyse diffèrent de 100 % en raison du module beaucoup plus élevé du polycarbonate. Dans les deux cas, le 0,03 pouces. la contre-dépouille s'avère excessive, induisant des contraintes bien au-delà des limites élastiques de l'un ou l'autre matériau. Ces types de calculs seraient beaucoup trop longs et compliqués sans l'aide de FEA.

Bouton de torsion

Les fonctions d'encliquetage par torsion sont idéales pour les applications nécessitant un assemblage et un démontage répétés, comme un bouton-poussoir à dégagement rapide verrouillant deux couvercles ou pièces ensemble. Il est basé sur un principe simple de poutre torsadée, comme le montre l'illustration ci-dessous. L'angle de torsion, la longueur de la poutre et le module du matériau affecteront la torsion du composant logiciel enfichable. Les mêmes paramètres indiqués pour les verrous à encliquetage s'appliquent également à l'encliquetage de torsion. La torsion maximale est limitée par la contrainte de cisaillement maximale admissible dans la limite élastique du matériau, comme indiqué ci-dessous :

L'angle de torsion du verrou de torsion basé sur la force appliquée (F) est indiqué ci-dessous :

Ces équations sont fournies dans les formules de Roark pour la contrainte et la déformation, que l'on trouve généralement dans la plupart des bibliothèques d'ingénieurs en mécanique. Il convient de noter que ces calculs sont basés sur des matériaux avec une courbe contrainte-déformation linéaire qui se situe dans les limites élastiques des matériaux d'ingénierie. La plupart des plastiques de base, tels que le polypropylène, le polyéthylène ou les matériaux hautement élastiques, n'ont pas de région linéaire dans leurs courbes contrainte-déformation où ces équations ne prédisent pas avec précision leur comportement. Dans de tels cas, une analyse FEA non linéaire doit être utilisée.

Boutons-pression en porte-à-faux

Les boutons-pression en porte-à-faux sont de loin les verrous à pression les plus couramment utilisés, car ils conviennent le mieux à la plupart des applications. Ils sont également les plus faciles à concevoir, à mouler et à prévoir. Il existe une variété de conceptions encliquetables en porte-à-faux, qui sont toutes basées sur le même principe d'une poutre simple. Les paramètres précédemment cités pour les autres conceptions d'ajustement par encliquetage s'appliquent également aux ajustements par encliquetage des poutres en porte-à-faux. La formule de base pour un faisceau de déviation simple, qui est fournie dans le livre de Roark, est illustrée ci-dessous :

Étant donné que les déflexions par encliquetage en porte-à-faux doivent également être limitées à la flexion dans la limite élastique d'un matériau, les contraintes induites doivent être fixées à la limite élastique maximale du matériau pour un usage unique ou limitées à 50 % de ce niveau pour une utilisation répétée où la fatigue pourrait provoquer une défaillance prématurée. La détermination de la contrainte induite à la base du claquement peut être calculée par :

Ou, la déflexion maximale admissible dans la limite élastique du matériau peut être calculée en remplaçant la force F par la contrainte maximale équivalente, comme suit :

Des exemples de I (moment d'inertie de la zone) sont présentés ci-dessous :

Il convient de noter que l'axe neutre c n'est égal qu'à la moitié de l'épaisseur de paroi de la poutre d'accrochage si la géométrie de la section transversale de la poutre est symétrique par rapport à celle-ci. Étant donné que les poutres encliquetables peuvent avoir une section transversale en T ou en U pour une rigidité accrue, l'axe neutre doit être calculé sur la base des formules données ci-dessous pour chaque section transversale respective.

Des exemples de conceptions d'accrochage avec ces différentes sections transversales sont présentés ci-dessous.

Il est à noter que ces calculs sont basés sur les hypothèses suivantes :

Ces calculs doivent donc être considérés comme des valeurs estimées. Des prédictions plus précises peuvent être calculées avec des programmes FEA, qui sont intégrés à de nombreux programmes de CAO. Bien que le calcul du moment d'inertie de la zone soit simple pour une section transversale carrée ou rectangulaire, il peut prendre beaucoup de temps pour d'autres sections transversales, comme l'indiquent les équations plus complexes. Vous pouvez déterminer le moment d'inertie de la zone pour n'importe quelle section en mesurant simplement les propriétés de la zone dans votre programme de CAO 3D. Je crois que tous les programmes de CAO 3D offrent cette fonctionnalité, qui calculera avec précision le moment d'inertie de la zone pour des formes autres que celles décrites dans cet article.

Un exemple d'analyse FEA d'un simple verrou à encliquetage en porte-à-faux est illustré ci-dessous. L'analyse était basée sur les valeurs suivantes :

La contrainte maximale de von Mises = 2423 psi à la base. En utilisant cette équation,

nous pouvons également calculer les contraintes et comparer les résultats à l'étude FEA.

Comme indiqué précédemment, les verrous à pression en plastique doivent être conçus pour se conformer à plusieurs considérations énumérées au début de cet article. Nous avons couvert les considérations structurelles; nous allons maintenant passer en revue certaines autres exigences.

Étant donné que tous les accrochages sont basés sur la déflexion et l'emboîtement de deux pièces, il est important de se rappeler que les vecteurs de force appliqués pour l'assemblage seront également responsables du démontage. Si un accrochage est nécessaire pour verrouiller solidement deux pièces ensemble, vous devez limiter les six degrés de liberté entre les deux pièces à un seul nécessaire pour libérer l'accrochage. Cette considération simple mais souvent négligée empêchera deux parties de se séparer lors d'un test de chute ou d'autres conditions stressantes. L'illustration ci-dessous communique plus clairement ce point.

La conception de la figure 6 illustre un exemple d'assemblage à encliquetage qui peut facilement se détacher puisque le couvercle bleu n'est retenu dans l'axe +/- Z que par l'encliquetage et le fond de la pièce d'accouplement. Bien que les deux parties soient imbriquées, la partie bleue peut coulisser dans les deux axes X et Y, induisant une tension sur le bouton-pression qui pourrait dévier suffisamment pour libérer le couvercle inférieur. Inversement, l'ensemble de la figure 7 comprend une lèvre intérieure empêchant le couvercle bleu de glisser dans les directions X ou Y. Les seules charges pouvant être transférées aux boutons-pression sont désormais limitées aux charges de traction et de torsion, offrant un verrouillage beaucoup plus sûr.

Les verrous à déclic sont souvent utilisés pour assembler des pièces en vue d'un assemblage et d'un démontage répétés. C'est une bonne pratique de conception de limiter la déviation du composant logiciel enfichable, l'empêchant d'être trop sollicité et déformé de façon permanente. Cela peut être fait en ajoutant simplement une nervure ou une barrière derrière le bouton-pression, limitant sa flèche dans sa limite élastique.

Idéalement, les boutons-pression doivent être conçus pour revenir à une position non contrainte après leur engagement avec la pièce d'accouplement. Cependant, les verrous à déclic peuvent rester sous contrainte constante en position engagée, à condition que la contrainte soit bien inférieure à la limite maximale de travail à long terme du matériau, qui est généralement de 50% de la limite élastique. Si deux pièces doivent être emboîtées et séparées par une simple action de pousser-tirer, le profil du crochet doit être conçu comme un profil triangulaire isocèle par rapport à un profil à angle droit. Le profil isocèle permettra au vecteur de force de dévier le composant logiciel enfichable dans les deux sens de manière égale. Si les angles de chaque côté du crochet ne sont pas égaux, les forces différeront en conséquence.

Deux des défis de conception de production qui doivent être pris en compte lors de la conception d'un composant logiciel enfichable sont les tolérances et la conception de l'outil. Les engagements d'encliquetage sécurisés nécessitent des ajustements serrés et une cohérence dans le maintien des tolérances pendant la production. Le contrôle des tolérances dépend de la qualité de l'outil, du contrôle de la production et du matériau. Les taux de retrait des matériaux affecteront considérablement les tolérances. En règle générale, les polymères amorphes non chargés ont tendance à se contracter de manière isotrope et à maintenir de meilleures tolérances que les plastiques semi-cristallins, qui se contractent de manière anisotrope. Le renforcement en fibre de verre affecte également les caractéristiques de retrait et le contrôle des tolérances. Il est conseillé de discuter des exigences de tolérance avec votre mouleur et votre outilleur avant de libérer les fichiers pour l'outillage. Certains mouleurs demanderont que les fichiers CAO soient ajustés en ajoutant quelques millièmes de jeu supplémentaires, qui peuvent facilement être resserrés après l'évaluation des premiers échantillons. Cette précaution est appelée "sécurité de l'acier", ce qui implique que l'acier supplémentaire dans le moule peut être facilement retiré par rapport au processus coûteux et long de soudage et d'usinage.

La deuxième considération de production relative à la conception de l'outil est tout aussi importante. Des fonctions d'accrochage peuvent être ajoutées à une pièce de sorte que les fonctions de crochet soient alignées ou nécessitent une action de glissement dans le moule. Idéalement, les boutons-pression doivent être conçus de manière à ce que les caractéristiques du crochet restent dans la ligne de tirage, en gardant le moule simple et fiable. Cependant, lorsque cela n'est pas possible, vous devez considérer comment la glissière sera actionnée et vérifier qu'il n'y a aucune caractéristique dans votre conception qui empêcherait la glissière de se déplacer. Les boutons-pression dans la ligne de tirage doivent être dessinés correctement pour permettre au noyau et à la cavité de s'embrasser correctement sans écorcher la surface du moule.

J'espère que cette brève introduction à la conception par encliquetage pour les pièces moulées par injection vous a été instructive et bénéfique. Le moulage par injection offre aux concepteurs d'innombrables avantages dans la création de pièces complexes et hautement fonctionnelles qui peuvent être extrêmement attrayantes, rentables et fiables. Comprendre les propriétés des matériaux et appliquer les formules de base fournies dans cet article à vos concepts imaginatifs vous permettra d'optimiser vos conceptions. Si vous avez des questions, des commentaires ou si vous souhaitez me contacter, veuillez m'envoyer un e-mail à [email protected].

A propos de l'auteur

Michael Paloian est président d'Integrated Design Systems Inc. (IDS), situé à Oyster Bay, New York. Il est titulaire d'un diplôme de premier cycle en ingénierie des plastiques de l'UMass Lowell et d'une maîtrise en design industriel de la Rhode Island School of Design. Paloian possède une connaissance approfondie de la conception de pièces dans de nombreux processus et matériaux, y compris les plastiques, les métaux et les composites. Paloian détient plus de 40 brevets, a été président de SPE RMD et PD3. Il intervient fréquemment lors de conférences SPE, SPI, ARM, MD&M et IDSA. Il a également écrit des centaines d'articles liés au design pour de nombreuses publications.

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