Le choix du matériau du moule est arrêté très tôt, souvent avant même que l'on ait réfléchi sérieusement au volume de production, et il détermine à la fois le coût de l'outil et sa durée de vie. Si vous optez pour l'aluminium dans le cadre d'un programme qui s'étend sur plusieurs années, l'outil s'usera avant la fin de sa durée de vie. Si vous choisissez l'acier trempé pour un modèle susceptible d'évoluer, vous aurez dépensé une somme importante pour un outil qui devra être modifié ou mis au rebut.

Le choix ne se résume pas vraiment à opposer l'aluminium à l'acier. Il s'agit plutôt d'un éventail d'options allant de « souple et rapide » à « rigide et durable », et le choix idéal sur cet éventail dépend du volume, du calendrier et du degré de maturité de la conception.

Les options

Aluminium

Il s'agit généralement d'alliages utilisés dans l'aéronautique, tels que le 7075, ou d'alliages spécifiques destinés à la fabrication de moules, comme le QC-10.

Avantages : Il permet d'usiner plusieurs fois plus vite que l'acier, ce qui réduit considérablement le temps de fabrication. Son coût en tant que matière première est inférieur. Il conduit la chaleur environ trois à quatre fois mieux que l'acier à outils, ce qui accélère le refroidissement et, par conséquent, réduit la durée du cycle. Il est facile à modifier en cas de changement de conception.

Limites : plus tendre, ce qui entraîne une usure plus rapide, notamment au niveau des portes et des lignes de joint, en particulier avec les résines chargées d'abrasifs. Durée de vie limitée. Moins apte à conserver les détails fins sur une longue série. Plus sensible aux dommages causés par une mauvaise manipulation.

Application typique : outillage de prototypage, outillage de transition, production en petites séries et projets où la rapidité de livraison des premières pièces est primordiale.

Acier pré-trempé P20

L'acier à moules à usage général le plus couramment utilisé, fourni pré-trempé à une dureté modérée.

Avantages : Il est livré prêt à l'usinage, ce qui évite toute étape de trempe venant interrompre le processus de fabrication. Bonne usinabilité pour un acier. Résistance à l'usure suffisante pour des volumes de production modérés. Largement disponible et bien maîtrisé.

Limites : Moins résistants à l'usure que les aciers à outils trempés. Ne conviennent pas à la production en grande série de résines abrasives chargées de verre. Ne permettent pas d'atteindre la dureté des nuances trempées à cœur.

Application typique : la solution par défaut pour les outillages destinés à une production de volume moyen avec des résines non chargées ou légèrement chargées.

Acier à outils H13

Un acier à outils trempé à cœur, généralement trempé après l'usinage de dégrossissage.

Avantages : nettement plus dur et plus résistant à l’usure que le P20. Offre une bien meilleure résistance aux résines chargées d’abrasifs. Conserve les détails fins et le poli sur les longues séries. Bonne résistance à la fatigue thermique.

Limites : Cela coûte plus cher. La fabrication prend plus de temps, car le durcissement intervient à mi-parcours, ce qui ajoute une étape et nécessite un usinage de finition par la suite. Il est plus difficile d’apporter des modifications une fois le durcissement effectué, car celles-ci peuvent nécessiter un nouveau durcissement.

Application typique : production en grande série, matériaux abrasifs, outils nécessitant un polissage parfait ou des détails fins tout en garantissant une longue durée de vie.

Nuances d'acier inoxydable

Comme l'acier inoxydable 420, utilisé lorsque la corrosion est un problème.

Avantages : la résistance à la corrosion, ce qui est important avec les résines qui dégagent des sous-produits corrosifs, comme le PVC, ainsi que dans les environnements humides ou lorsque les outils restent inutilisés pendant de longues périodes.

Limites : un coût plus élevé et des caractéristiques d'usinage qui allongent le temps de fabrication.

Application typique : résines corrosives, applications médicales et alimentaires nécessitant un nettoyage, outils stockés entre deux campagnes de production.

Comparaison

Les facteurs déterminants

Volume

Le facteur déterminant. Le coût des outillages s'amortit sur l'ensemble des pièces produites ; la question est donc de savoir si l'outillage le moins cher tiendra toute la durée de votre cycle de production.

Un outil qui doit être remplacé en cours de production vous coûte un deuxième outil, sans compter la perturbation liée au changement d'outil, dont le coût dépasse généralement l'économie réalisée grâce au premier outil, moins cher. À l'inverse, un outil en acier trempé qui produit deux mille pièces avant d'être mis hors service a déjà amorti la majeure partie de son coût.

Mieux vaut faire preuve d'honnêteté quant au volume total prévu plutôt que de se montrer trop optimiste. L'achat d'outillage justifié par des prévisions de volume trop optimistes est une erreur courante et coûteuse, abordée plus en détail dans notre guide consacré à coût du moule d'injection.

Résine

Cela modifie la réponse bien plus que ne s'y attendent la plupart des acheteurs.

Les résines non chargées, telles que l'ABS, le PP et le PE, sont relativement peu abrasives pour les outils. Les grades chargés de verre ou de minéraux sont abrasifs et ont un impact considérable sur les outils tendres. Un nylon chargé de verre qui pourrait supporter plusieurs milliers de cycles dans un H13 peut dégrader un outil en aluminium en une fraction de ce temps.

Certaines résines sont également chimiquement agressives. Le PVC et certaines variétés ignifugées libèrent des sous-produits corrosifs, ce qui explique pourquoi l'acier inoxydable s'impose, quel que soit le volume.

Si vous utilisez une résine chargée ou corrosive, le choix du matériau doit s'orienter vers des options plus dures et plus résistantes, et ce à des volumes inférieurs à ceux recommandés par les directives générales.

Maturité de la conception

Si la conception est susceptible d'évoluer, il peut être intéressant d'envisager un outil en matériau souple, facile à modifier, même pour des volumes qui justifieraient normalement l'utilisation de l'acier.

L'aluminium peut être soudé et réusiné assez facilement. La modification de l'acier trempé implique souvent un recuit, un usinage et un nouveau durcissement, ce qui est coûteux et peut avoir des répercussions sur le reste de l'outil.

De nombreux programmes sont délibérément exécutés outillage de prototypage grâce à la validation, précisément pour intégrer les modifications de conception à moindre coût, puis s'engager dans la fabrication des outillages de production une fois la géométrie validée.

Chronologie

Les outils en aluminium permettent de construire plus rapidement, parfois de manière significative. Lorsque la date de lancement constitue une contrainte impérative, cette différence peut justifier le choix d'un outil que vous savez devoir remplacer par la suite.

Les outillages intermédiaires existent précisément pour cette raison : permettre de produire rapidement des volumes significatifs pendant que l'outillage de série est fabriqué en parallèle.

Durée du cycle

L'avantage de l'aluminium en termes de conductivité thermique est bien réel et souvent sous-estimé. Une évacuation plus rapide de la chaleur permet de réduire le temps de refroidissement et, par conséquent, la durée des cycles.

À des volumes élevés, des cycles plus courts permettent de réduire le coût unitaire à chaque injection. Dans certains cas, cela compense en partie la durée de vie plus courte de l'aluminium, mais rarement suffisamment pour modifier la conclusion lorsque les volumes sont réellement élevés.

Exigences de qualité des pièces

L'acier trempé conserve mieux son poli et sa texture fine sur de longues séries que l'aluminium. Pour les pièces esthétiques présentant des surfaces très brillantes ou finement texturées et produites en grande série, l'acier s'impose généralement, quels que soient les autres facteurs.

Pour les pièces fonctionnelles dont l'aspect de surface n'est pas déterminant, les limites de l'aluminium ont moins d'importance.

Une séquence de décision

1. Quel est votre volume de vente réaliste sur l'ensemble de votre carrière ? Les faibles volumes indiquent l'aluminium. Les volumes élevés indiquent l'acier trempé. C'est lorsque les volumes sont modérés que les autres facteurs font la différence.

2. La résine est-elle chargée ou corrosive ? Les résines chargées tendent à être utilisées pour l'acier plus résistant. Les résines corrosives tendent à être utilisées pour l'acier inoxydable.

3. La conception est-elle définitive ? Sinon, privilégiez une solution évolutive.

4. Quelles sont les exigences en matière d'esthétique ? Pour obtenir un polissage miroir ou une texture fine à grande échelle, il faut recourir à l'acier.

5. Quel est le calendrier ? Si les premières pièces sont urgentes, il peut s'avérer nécessaire de recourir à des outillages en aluminium ou à des outillages de transition, quel que soit le choix final en matière de production.

6. Quelle est la sensibilité au temps de cycle ? Lorsque les volumes sont très élevés et que la pièce est épaisse, il convient de prendre en compte l’avantage de l’aluminium en matière de refroidissement plutôt que de l’écarter d’emblée.

Un modèle courant et judicieux

De nombreux programmes utilisent les deux, de manière séquentielle.

Un prototype de moule en aluminium permet de fabriquer des pièces de validation dans la résine utilisée pour la production réelle, dans des délais très courts. La conception est testée, ajustée puis validée. Un moule de production en acier est ensuite fabriqué selon la géométrie définitive.

Cette solution nécessite deux outils au lieu d'un seul, mais l'outil en aluminium est peu coûteux et cette approche évite le scénario bien plus onéreux consistant à modifier ou à mettre au rebut un outil de production trempé à la suite d'une modification de conception.

Pour les programmes dont la demande est incertaine, cette logique s'applique davantage sur le plan commercial que technique. Un outil « souple » permet de produire et de vendre avant d'engager des capitaux dans l'outillage de production ; ainsi, si la demande ne se concrétise pas, ces capitaux n'ont pas été dépensés.

Aspects pratiques à prendre en compte lors de la définition des spécifications

Indiquez la durée de vie prévue dans votre cahier des charges d'outillage, en nombre de cycles, et exigez du fournisseur qu'il confirme que le matériau y répond. Un devis ne précisant pas la durée de vie est incomplet.

Demandez quelle est la nuance indiquée et d'où provient l'acier. Il existe un véritable écart de performances entre les matériaux certifiés et les matériaux non spécifiés, et c'est souvent sur ce point que les devis divergent sans que cela soit explicitement mentionné.

Discuter de la conception du système de refroidissement, et pas seulement d'un point de vue matériel. Un outil en P20 bien refroidi peut offrir de meilleures performances qu'un outil en H13 mal refroidi en termes de temps de cycle, et il est facile de sous-investir dans le refroidissement car ses avantages se manifestent au niveau de la production plutôt que sur la facture d'outillage.

Vérifiez ce qui se passe en cas d’usure prématurée de l’outil. Les conditions de garantie exprimées en cycles, ainsi que ce qu'elles excluent, doivent être clairement stipulées par écrit plutôt que laissées à l'interprétation.

Obtenir la bonne recommandation

Le choix du matériau du moule dépend de votre pièce, de la résine, du volume et des délais ; un fournisseur capable de travailler avec tous ces matériaux vous fournira des conseils plus pertinents qu'un autre qui ne maîtrise qu'un seul type de matériau.

Elite Mold Tech fabrique des prototypes, des pièces de liaison et outillage de production pour différentes nuances d’aluminium et d’acier, avec une analyse de la fabricabilité (DFM) fournie avant la sélection définitive de l’acier. L’envoi d’un fichier de pièce accompagné de la résine choisie et du volume demandé permet d’obtenir une recommandation de matériau et une comparaison des coûts, plutôt qu’une seule option.

Questions fréquemment posées

Q : Combien de pièces un moule en aluminium peut-il produire ?

R : Cela varie considérablement en fonction de la résine, de la géométrie de la pièce et de l’état d’entretien du moule. Les résines non chargées, lorsqu’elles sont utilisées dans un moule bien conçu, permettent d’atteindre un nombre de cycles nettement supérieur à celui des résines chargées de verre abrasif, qui peuvent user rapidement les moules tendres.

Q : Le P20 ou le H13, lequel est le mieux adapté à mon moule ?

R : Le P20 convient aux volumes modérés avec des résines non chargées et permet une fabrication plus rapide puisqu’il est livré pré-durci. Le H13 convient aux volumes élevés, aux matériaux abrasifs et aux outils nécessitant un polissage soutenu, mais son coût est plus élevé et son temps de fabrication plus long.

Q : Les moules en aluminium produisent-ils des pièces de moindre qualité ?

R : Pas nécessairement pour les pièces fonctionnelles. L’aluminium conserve moins bien les détails et le polissage sur les longues séries ; il est donc moins adapté aux pièces esthétiques produites en grande série, mais les premières pièces issues d’un moule en aluminium sont représentatives de la production finale.

Q : Pourquoi les moules en aluminium sont-ils plus rapides à fabriquer ?

R : L'aluminium se usine plusieurs fois plus rapidement que l'acier et ne nécessite aucune étape de durcissement en cours de fabrication. Cette combinaison réduit considérablement les délais de livraison des premières pièces.

Q : Dois-je fabriquer un prototype d'outil avant de passer à la production en série ?

R : Souvent oui, surtout lorsque la conception est susceptible d'évoluer. Un outil souple peu coûteux permet de s'adapter à moindre coût aux modifications de conception et évite d'avoir à modifier ou à mettre au rebut ultérieurement un outil de production trempé, plus onéreux.