Conception pour l'usinabilité en moulage sous pression : stratégies pour coûts et qualité

TL ;DR

La conception pour l'usinabilité (DFM) en fonderie sous pression est une pratique d'ingénierie essentielle visant à optimiser la conception des pièces afin de permettre une production efficace et rentable. L'objectif principal est de réduire la complexité de fabrication, ce qui diminue les coûts et améliore la qualité du produit final. Cela implique de respecter des principes fondamentaux tels que l'application d'angles de dépouille pour faciliter l'éjection de la pièce du moule, le maintien d'une épaisseur de paroi uniforme afin d'éviter les défauts comme la porosité, et l'utilisation stratégique d'éléments comme les congés et nervures pour renforcer la structure tout en minimisant la consommation de matériau.

Principes fondamentaux du DFM en fonderie sous pression : Dépouille, Épaisseur de paroi et Rayons

Le fondement d'une conception efficace de la fonderie sous pression pour l'industrialisation repose sur quelques principes essentiels qui ont un impact direct sur la qualité, le coût et la rapidité de production. Maîtriser ces concepts constitue la première étape vers la création d'une pièce non seulement fonctionnelle, mais également économique à produire. Les ignorer peut entraîner une succession de problèmes, allant d'une éjection difficile et d'un gaspillage de matière à des défaillances structurelles critiques. Ces principes fondamentaux — débossage, épaisseur des parois, et utilisation d'accords et de rayons — tiennent compte de la physique de l'écoulement et de la solidification du métal en fusion dans la cavité.

A angle de dépouille est une légère conicité appliquée à toutes les surfaces parallèles à la direction d'ouverture de la matrice. Cette faible inclinaison, généralement comprise entre 1 et 3 degrés, est cruciale pour permettre l'éjection propre de la pièce sans dommage. Lorsque le métal en fusion refroidit et se rétracte, il peut adhérer fortement aux éléments internes de la matrice. En l'absence de débossage, les forces d'éjection nécessaires pourraient déformer ou briser la pièce. Comme indiqué en détail dans Guide de conception Gabrian , les parois extérieures nécessitent moins d'inclinaison car la pièce se rétracte lors du refroidissement, tandis que les parois intérieures et les trous requièrent une inclinaison plus importante car le métal se contracte autour d'eux.

Le maintien d'une épaisseur uniforme des parois est sans doute l'une des règles DFM les plus importantes. Lorsque les épaisseurs de paroi varient considérablement, le métal en fusion refroidit à des vitesses différentes. Les sections plus épaisses mettent plus de temps à se solidifier, ce qui peut entraîner des contraintes internes, de la porosité (bulles de gaz) et des marques d'affaissement en surface. À l’inverse, des parois trop fines peuvent provoquer une solidification prématurée du métal, empêchant ainsi le moule de se remplir complètement — un défaut appelé « manque de remplissage ». La plupart des conceptions visent une épaisseur de paroi comprise entre 1,5 mm et 4 mm. Si des variations d'épaisseur sont inévitables, la transition doit être progressive et fluide afin d'assurer un écoulement et un refroidissement homogènes du métal.

Enfin, il est essentiel d'éviter les angles vifs. Cela s'obtient en intégrant congés et rayons —jonctions courbes entre les surfaces. Les congés sont appliqués aux angles intérieurs, tandis que les rayons sont utilisés sur les angles extérieurs. Les coins internes vifs créent des points de concentration de contraintes qui peuvent devenir des points de rupture sous charge. Ils perturbent également l'écoulement régulier du métal en fusion, provoquant des turbulences pouvant entraîner de la porosité. L'ajout de congés et de rayons généreux, même aussi petits que 0,5 mm, améliore l'écoulement du métal, renforce la pièce et facilite l'obtention d'un produit final plus robuste et fiable.

Principes fondamentaux de conception

• Angles de dépouille : Appliquez une dépouille d'au moins 1 à 2 degrés sur toutes les surfaces verticales afin de garantir un démoulage facile. Augmentez l'angle pour les parois intérieures et les éléments profonds.
• Épaisseur de paroi : Veillez à l'uniformité sur l'ensemble de la pièce. Si l'épaisseur doit varier, utilisez des transitions progressives pour éviter les défauts et assurer un refroidissement uniforme.
• Congés & Rayons : Remplacez tous les coins vifs par des arêtes arrondies. Utilisez des congés sur les coins intérieurs et des rayons sur les coins extérieurs afin de réduire les contraintes et améliorer l'écoulement du métal.

Renforcement des pièces et réduction du poids : nervures, bossages et poches

Un objectif central de la conception pour la fabrication (DFM) est de produire des pièces répondant aux exigences de résistance sans matériau superflu, ce qui augmente les coûts et les temps de cycle. Trois caractéristiques clés aident les concepteurs à atteindre cet équilibre : les nervures, les bossages et les poches. Conçues correctement, ces éléments améliorent l'intégrité structurelle et la fonctionnalité tout en optimisant simultanément la pièce pour le processus de moulage sous pression. Elles permettent des conceptions solides et légères, efficaces à fabriquer.

Côtes sont des éléments minces, semblables à des parois, utilisés pour renforcer et rigidifier une pièce sans augmenter son épaisseur de paroi globale. Cela est crucial pour éviter les déformations et améliorer le rapport résistance-poids. En intégrant des nervures, un concepteur peut maintenir une section de paroi fine et uniforme sur l'ensemble de la pièce tout en renforçant les zones critiques. Pour des résultats optimaux, les nervures doivent être conçues avec une épaisseur correspondant à une fraction de celle de la paroi principale, généralement environ 60 %, afin d'éviter l'apparition de marques de retrait sur la surface opposée. En outre, les nervures peuvent servir de canaux pour aider le métal en fusion à s'écouler vers des zones éloignées ou complexes du moule.

Bossages sont des saillies cylindriques qui servent de points de fixation, d'entretoises ou d'emplacements pour des éléments de fixation. Plutôt que de percer des trous dans une section épaisse de la pièce après la fonte, les bossages peuvent être intégrés directement à la conception, ce qui permet d'économiser un temps considérable et d'éviter des opérations secondaires. Pour respecter le principe d'épaisseur de paroi uniforme, les bossages doivent être évidés, c'est-à-dire qu'ils doivent comporter un trou au centre. Cela évite qu'ils ne deviennent des masses épaisses de matériau qui refroidiraient lentement et provoqueraient des défauts. Ils doivent également être raccordés aux parois principales par des congés généreux et des nervures afin d'assurer la résistance et un écoulement régulier du métal.

Pour réduire davantage l'utilisation de matière et le poids de la pièce, les concepteurs peuvent ajouter stratégiquement poches ou des sections creuses. Ce processus, souvent appelé « évidement », consiste à retirer du matériau dans les zones qui ne sont pas critiques sur le plan structurel. En créant ces vides, il est possible de maintenir une épaisseur de paroi constante dans tout le composant, même pour des géométries complexes. Cela permet non seulement de réduire les coûts de matière, mais aussi de raccourcir le temps de refroidissement dans le moule, ce qui conduit à des cycles de production plus rapides. Une analyse minutieuse est nécessaire afin de s'assurer que les évidements n'affectent pas la résistance globale ou la fonctionnalité de la pièce.

Optimisation pour le moule et le démoulage : lignes de joint, sous-dépouilles et broches

Une pièce réussie de moulage sous pression est le produit de la synergie entre la géométrie de la pièce et la mécanique du moule. Des décisions de conception prises sans tenir compte de l'outillage peuvent entraîner des moules coûteux et complexes, ainsi qu'un taux élevé de défauts. Les considérations clés dans ce domaine incluent le positionnement de la ligne de joint, la gestion des sous-dépouilles et l'emplacement des broches d'éjection. Une conception réfléchie dans ces domaines simplifie l'outillage, réduit les coûts et garantit que la pièce peut être retirée du moule de manière fiable après le moulage.

La ligne de séparation est la ligne de jointure où les deux moitiés du moule se rencontrent. Son emplacement constitue l'une des premières décisions, et la plus critique, en matière de conception d'outillage, car il influence presque toutes les autres caractéristiques. Une ligne de jointure simple et plane est toujours préférée, car elle rend l'outillage plus facile et moins coûteux à usiner. Une ligne de jointure complexe et non plane peut sensiblement augmenter le coût de l'outillage et entraîner des problèmes de bavure — une fine pellicule de métal excédentaire qui s'échappe par la fente et doit être éliminée lors d'une opération secondaire. Les concepteurs doivent chercher à orienter la pièce de manière à permettre la ligne de jointure la plus droite possible.

Sous-fuselages sont des caractéristiques qui empêchent une pièce d'être directement éjectée d'un moule simple à deux parties. Celles-ci incluent des surfaces creusées ou des éléments qui bloqueraient la pièce dans la matrice. Bien qu'elles soient parfois nécessaires pour des raisons fonctionnelles, les sous-dépouilles doivent être évitées autant que possible, car elles exigent des noyaux latéraux ou des tiroirs — des composants mobiles à l'intérieur de la matrice qui forment la sous-dépouille puis se retirent avant l'éjection. Ces mécanismes ajoutent un coût important, une complexité accrue et des points de défaillance potentiels à l'outil. Si une sous-dépouille est inévitable, il est essentiel de collaborer avec un partenaire de fabrication afin de trouver la solution d'outillage la plus efficace. Les entreprises disposant de capacités internes de conception de matrices peuvent offrir une expertise précieuse pour optimiser l'outillage complexe en termes de fabricabilité.

Enfin, je vous présente pins d'éjection sont des tiges en acier qui poussent la pièce solidifiée hors de la cavité du moule. Ces broches sont essentielles pour l'éjection de la pièce, mais laissent inévitablement de petites marques circulaires sur la surface de celle-ci. Le rôle du concepteur est d'identifier les surfaces non critiques ou non esthétiques où ces marques seront acceptables. Placer les marques de broche d'éjection sur des surfaces planes et robustes est idéal, car cela assure une répartition uniforme des forces pendant l'éjection et minimise le risque de déformation de la pièce. Communiquer dès le début du processus ces emplacements acceptables au fabricant d'outillage permet d'éviter des problèmes esthétiques sur le produit final.

Liste de contrôle pour une conception facilitant l'éjection

• Simplifier la ligne de joint aussi plate et droite que possible.
• Éliminer les sous-découpe autant que possible afin d'éviter d'avoir recours à des noyaux latéraux coûteux et à des tiroirs.
• Incorporer des angles de dépouille généreux sur toutes les surfaces parallèles au mouvement du moule.
• Identifier les surfaces non esthétiques où les marques de broche d'éjection sont autorisées.
• Veiller à ce que les broches d'éjection soient situées sur des surfaces planes et stables afin d'éviter toute déformation pendant l'éjection.

Questions fréquentes sur la conception pour la fabrication en moulage sous pression

1. Qu'est-ce qui est inclus dans la conception pour la fabrication (DFM) ?

La conception pour la fabrication (DFM) en moulage sous pression comprend un ensemble de principes visant à simplifier et optimiser la conception d'une pièce afin de faciliter sa production. Les éléments clés incluent l'application d'angles de dépouille pour l'éjection, l'assurance d'une épaisseur de paroi uniforme afin d'éviter les défauts, l'utilisation d'accords et de rayons pour éviter les angles vifs, ainsi que la conception d'éléments tels que des nervures et des bossages pour renforcer la structure tout en réduisant la quantité de matériau. Cela inclut également les considérations relatives à l'outillage, comme la simplification de la ligne de joint et l'évitement des sous-dépouilles.

2. Comment aborde-t-on la conception pour la fabricabilité ?

L'approche commence dès les premières étapes de la conception en tenant compte de l'ensemble du processus de fabrication. Elle implique une collaboration avec les ingénieurs de fabrication afin d'identifier les problèmes potentiels de production. Les étapes clés comprennent la simplification de la conception, la réduction du nombre de pièces, la standardisation des composants lorsque cela est possible, ainsi que le respect de règles spécifiques aux procédés, comme celles relatives au moulage sous pression (dépouille, épaisseur de paroi, etc.). L'objectif est de résoudre proactivement les problèmes de fabrication sur le papier, là où les modifications sont peu coûteuses, plutôt que sur le plancher d'usine, où elles s'avèrent onéreuses.

3. Le retour de la guerre Qu'est-ce qui caractérise la conception pour la fabrication?

La conception pour la fabricabilité se caractérise par son accent mis sur l'efficacité, la réduction des coûts et l'amélioration de la qualité grâce à des choix de conception intelligents. Un design optimisé pour la fabricabilité est généralement plus simple, utilise moins de matériaux, nécessite moins d'opérations secondaires et présente un taux de défauts plus faible. Il traduit une compréhension approfondie des capacités et des limites du procédé de fabrication choisi, ce qui donne un produit non seulement fonctionnel, mais aussi économique et fiable à produire en grande série.