Brevet FR2776225A1 — publié le 19990924

CAVITE DE MOULE A INJECTION ET PROCEDE DE FABRICATION DE CELLE-CI La présente invention se rapporte à un procédé de moulage par injection et à une pièce moulée par injection. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à une cavité de moule à injection et à un procédé permettant de former des caractéristiques dans une cavité de moule pendant sa fabrication. On peut fabriquer des pièces en matière plastique en utilisant un procédé de moulage par injection. Dans le procédé de moulage par injection, une matière de moulage est injectée sous pression dans une cavité de moule, o elle se solidifie suivant la forme de la cavité de moule afin de former la pièce moulée. Le moulage par injection présente un investissement en capitaux élevé car une cavité de moule en acier ou en aluminium est coûteuse et nécessite du temps pour la fabriquer. Comme l'investissement en capitaux est élevé, le moulage par injection ne convient généralement pas à une fabrication en petites quantités, et comme la cavité de moule demande du temps pour la fabriquer, le moulage par injection ne convient pas d'une façon générale pour les stades précoces de développement d'un prototype d'une pièce au cours desquels des modifications importantes de la conception peuvent apparaître rapidement. En conséquence, il serait avantageux de pouvoir développer de façon peu coûteuse et rapide une cavité de moule, en particulier pour les stades précoces de développement d'un prototype. 2 0 Des procédés de réalisation rapide d'un prototype (par exemple, la stéréolithographie, la fabrication d'objet stratifié, le frittage sélectif par laser, et le modelage par dépôt en fusion) ont été employés pour obtenir des objets. La stéréolithographie est un exemple d'un procédé par addition de couches permettant la génération rapide d'un prototype d'un objet tridimensionnel à partir d'une base de données de CAO (conception 2 5 assistée par ordinateur). Une série de plans horizontaux étroitement espacés sont amenés à passer par la base de données afin de représenter une série de sections transversales bidimensionnelles étroitement espacées, chacune présentant une valeur de coordonnée Z différente. En se référant à la figure 1, une source lumineuse mobile telle qu'un laser 1, de façon caractéristique un laser à ultraviolet hélium-cadmrium ou à argon ionisé, commandé 3 0 par ordinateur, forme les sections transversales du modèle engendré par ordinateur sur une surface 2 d'une cuve d'un polymère liquide 4 pouvant être chauffée par un laser, en durcissant/solidifiant ainsi le matériau. Lorsque la première couche est achevée, on abaisse une plate-forme 6 maintenant l'objet formé 8, laissant une nouvelle couche du polymère liquide au-dessus de la matière chauffée (c'est-à-dire, durcie), d'une épaisseur égale à celle 3 5 de la trace en section transversale réalisée par le laser. Le procédé est répété jusqu'à ce que l'objet soit achevé, de façon que la plate-forme soit élevée et que l'objet tridimensionnel en matière plastique moulée solidifiée émerge de la cuve. L'objet 8 est placé dans un dispositif de post-traitement dans lequel il est exposé à un rayonnement ultraviolet afin de provoquer un durcissement complet. Un avantage de ce procédé est la vitesse à laquelle une conception engendrée par ordinateur peut être transformée en un objet tridimensionnel. La référence "Stereolithography and other RP & M Technologies; from Rapid Prototyping to Rapid Tools" procure des informations supplémentaires sur la stéréolithographie. En conséquence, il serait avantageux d'employer un procédé d'addition de couches (tel que la stéréolithographie) afin de produire un objet qui soit une cavité de moule destinée à la fabrication de pièces moulées par injection. Une telle cavité de moule pourrait être alors employée pour mouler une quantité limitée de pièces appropriées aux stades de développement de prototype. Les questions au sujet d'une pièce moulée ou d'une matière de moulage peuvent être déterminées tôt au cours de la conception grâce à des pièces moulées à partir d'une cavité de moule fabriquée en utilisant la stéréolithographie. Comme certaines pièces moulées par injection comprennent des caractéristiques particulières, une cavité de moule produite en utilisant la stéréolithographie doit définir les caractéristiques particulières. Par exemple, la cavité de moule doit être en mesure de permettre l'enlèvement de la pièce, c'est-à-dire que la cavité de moule doit incorporer des caractéristiques destinées à la sortie de la pièce moulée de la cavité de moule. Les 2 0 caractéristiques supplémentaires envisageables peuvent comprendre des passages de petite dimension et des composants mobiles. Un but de l'invention est de procurer une cavité de moule en utilisant un procédé d'addition de couches dans laquelle la cavité de moule comprend des caractéristiques particulières. 2 5 Un autre but de l'invention est de procurer une cavité de moule comprenant des caractéristiques destinées à la sortie de la pièce. Encore un autre but de l'invention est de procurer une telle cavité de moule qui comprenne des caractéristiques fixes de petits trous et de passages, et des composants mobiles. 3 0 Encore un autre but de l'invention est de procurer un procédé permettant de former des caractéristiques d'enlèvement de pièce à l'intérieur de la cavité de moule, dans lequel les caractéristiques d'enlèvement de pièce sont créées pendant la fabrication de la cavité de moule. Ces buts sont donnés uniquement à titre d'exemple illustratif. Ainsi, d'autres objectifs 3 5 et avantages souhaitables atteints de façon inhérente par l'invention décrite peuvent apparaître ou devenir évidents pour l'homme de l'art. L'invention est définie par les revendications annexées. Conformément à un premier aspect de l'invention, on procure une cavité de moule à injection réalisée par un procédé comprenant tout d'abord la génération d'un modèle engendré par ordinateur représentatif de la cavité de moule. Le modèle comprend un canal en forme de larme en communication avec une soupape d'éjection, et des supports de fabrication disposés à l'intérieur d'une partie du canal. Une partie de tige de la soupape d'éjection peut être déplacée à l'intérieur d'une ouverture de la cavité de moule, et le modèle conçu par ordinateur prévoit un jeu minimum de 0,25 mm (0,01 pouce) entre la partie de tige et l'ouverture. On utilise un procédé d'addition de couches pour fabriquer la cavité de moule en prévoyant une cuve de résine pouvant être chauffée par laser, en traçant une section transversale du modèle engendré par ordinateur sur une surface de la cuve de résine pouvant être chauffée par laser afin de solidifier la résine au niveau de la section transversale, et en abaissant la cuve. En conséquence, le canal et la soupape d'éjection sont formés de façon simultanée à la fabrication de la cavité de moule. Conformément à un autre aspect de l'invention, on procure un procédé de formation d'une cavité de moule à injection en utilisant une stéréolithographie. On engendre un modèle conçu par ordinateur qui est représentatif de la cavité de moule. Le modèle conçu par ordinateur comprend un canal en forme de larme en communication avec une soupape 2 0 d'éjection. On prévoit une cuve de résine pouvant être chauffée par laser, et une section transversale du modèle engendré par ordinateur est tracée au laser sur une surface de la cuve de résine pouvant être chauffée au laser afin de solidifier la résine au niveau de la section transversale. On abaisse la cuve, et l'on répète les étapes de tracé et de descente de la cuve afin de fabriquer la cavité de moule à injection. Grâce à ce procédé, le canal et la 2 5 soupape d'éjection sont formés de façon simultanée à la fabrication de la cavité de moule. La présente invention procure une cavité de moule à injection comprenant des caractéristiques formées pendant la fabrication de la cavité de moule en utilisant un procédé d'addition de couches, tel qu'une stéréolithographie. Des exemples de telles caractéristiques comprennent des passages de petite dimension et des composants mobiles. En outre, une 3 0 cavité de moule formée pendant ce procédé est en mesure de permettre la sortie de la pièce, c'est-à-dire que la cavité de moule peut incorporer des caractéristiques destinées à la sortie de la pièce moulée de la cavité de moule. Les buts, caractéristiques et avantages qui précèdent, ainsi que d'autres, de l'invention, deviendront évidents à partir de la description plus détaillée qui suit des modes 3 5 de réalisation préférés de l'invention, tels qu'ils sont illustrés dans les dessins annexés. La figure 1 représente un système de stéréolithographie de la technique antérieure. La figure 2 représente une vue en section transversale d'une premiere base de moule contenant une cavité de moule à injection conforme a la présente invention. La figure 3 représente la vue en section transversale de la base de moule de la figure 2, illustrant la pièce moulée dans la cavité de moule. La figure 4 représente la vue en section transversale de la base de moule de la figure 2, illustrant la séparation des deux parties de la cavité de moule. La figure 5 représente la vue en section transversale de la base de moule de la figure 4, illustrant la position d'éjection de la soupape d'éjection. La figure 6 représente la forme en section transversale en larme d'un canal conforme à la présente invention. La figure 7 représente une vue latérale en section transversale d'un modèle engendré par ordinateur d'une partie d'une cavité de moule illustrant la forme de larme du canal. La figure 8 représente une vue en section transversale de la base de moule de la figure 2, illustrant des supports de fabrication construits pendant le moulage conformément à la présente invention. La figure 9 représente une vue de dessus des supports de fabrication de la figure 8. La figure 10 représente une vue en section transversale agrandie d'une partie d'une seconde cavité de moule conforme à la présente invention. 2 0 Ce qui suit est une description détaillée des modes de réalisation préférés de l'invention, référence étant faite aux dessins sur lesquels les mêmes références numériques identifient les mêmes éléments de la structure sur chacune des diverses figures. Les figures 2 à 5 illustrent une base de moule 10 contenant une cavité de moule à injection 12 fabriquée en utilisant un procédé d'addition de couches conforme à la présente invention. La cavité de moule 12 comprend une première partie 14 ainsi qu'une seconde partie 16 pouvant être déplacées entre (i) une position fermée (illustrée sur les figures 2 et 3) dans laquelle les première et seconde parties 14, 16 définissent une région de moule 18 représentative d'une pièce moulée 20, et (ii) une position ouverte (illustrée sur les figures 4 et 5) permettant que la pièce moulée 20 soit sortie de la zone de moule 18. Dans des buts 3 0 illustratifs, comme représenté sur les figures 2 à 5, la zone de moule 18 moule une pièce moulée à paroi mince en forme de U. La cavité de moule 12 comprend en outre un canal 22 en communication avec une soupape d'éjection 24. Un orifice d'entrée 26 de la base de moule 10 est en communication avec le canal 22 afin de permettre une circulation de gaz par l'intermédiaire du canal 22 vers la soupape d'éjection 24. La soupape d'éjection 24 comprend une base de soupape 24B ainsi qu'une tige de soupape 24S, et peut être déplacée à l'intérieur d'une ouverture 25. La soupape d'éjection 24 peut être actionnée grâce à une circulation de gaz par l'intermédiaire du canal 22 afin d'éjecter une pièce moulée de la cavité de moule à injection, en facilitant ainsi l'enlèvement de la pièce moulée 20 de la cavité de moule 12. La base de la soupape d'éjection 24B est logée à l'intérieur d'une partie de base 25B de l'ouverture 25 à proximité du canal 22, tandis que la tige de soupape 24S est disposée à l'intérieur d'une partie de puits 25S de l'ouverture 25. On notera que pendant le moulage de la pièce moulée, la soupape d'éjection repose dans la position fermée (c'est-à-dire, la position de non-éjection). Ce positionnement sert à empêcher que de la matière fondue ne pénètre dans le canal 22 pendant le moulage. Lorsqu'une circulation de gaz sous une pression prédéterminée est introduite dans le canal 22, comme illustré sur la figure 5, la soupape d'éjection 24 coulisse vers la position ouverte afin d'espacer la pièce moulée 20 de la cavité de moule 12. Un exemple de soupape d'éjection 24 est une soupape à champignon. Une fois la cavité de moule fabriquée, on peut employer des procédés de moulage par injection connus pour mouler la pièce moulée. En se référant de nouveau aux figures 2 à , le procédé connu comprend l'injection d'une quantité prédéterminée de matière fondue dans la cavité de moule par l'intermédiaire d'une buse d'injection (non représentée), d'un canal d'amenée (non représenté) et d'une entrée (non représentée) jusque dans la zone de moule 18. La matière fondue est ensuite refroidie afin de durcir la matière dans le moule, 2 0 comme représenté sur la figure 3. Les première et seconde parties 14, 16 sont déplacées relativement l'une à l'autre (représenté sur la figure 4), et du gaz est injecté sous pression par l'intermédiaire du canal 22 afin d'actionner la soupape d'éjection 24, en éjectant ainsi la pièce de la cavité de moule et en espaçant la pièce moulée de la cavité de moule (représenté sur la figure 5). 2 5 Une caractéristique de la présente invention est que les caractéristiques de la cavité de moule (par exemple, le canal 22 et la soupape d'éjection 24), sont fabriquées pendant la fabrication de la cavité de moule, c'est-à-dire simultanément à la fabrication de la cavité de moule. Dans ces conditions, la soupape d'éjection 24 est composée du même matériau que la cavité de moule. La fabrication simultanée procure des avantages, tels que la réduction de 3 0 la durée de fabrication de la cavité de moule et la réduction du nombre des étapes de fabrication. En ce qui concerne le canal, une fabrication simultanée élimine une étape supplémentaire de génération du canal, et permet également une courbure du canal qui pourrait ne pas être possible si le canal était ajouté à la cavité de moule après qu'elle ait été 3 5 formée. Afin de fabriquer le canal 22 simultanément à la cavité de moule, des considérations particulières sont indiquées. Plus particulièrement, les demandeurs ont découvert qu'un canal présentant une forme de larme 26 en section transversale est autoporteur, et élimine ainsi la nécessité de construire des supports de fabrication en vue de la fabrication du canal. La forme de larme est autoporteuse pendant le procédé d'addition de couches, car chaque nouvelle couche est supportée par une couche précédente. La figure 6 illustre la forme de larme 26 en section transversale, tandis que la figure 7 illustre une vue latérale d'un modèle engendré par ordinateur d'une partie de cavité de moule illustrant la forme de larme 26. En se référant à la figure 8, comme il peut être souhaitable de nettoyer le canal 22 après la fabrication et avant un moulage, une ouverture d'accès 27 vers le canal 22 peut être 1 0 formée dans la cavité de moule. Pendant le procédé de moulage, un obturateur (non représenté) peut être disposé à l'intérieur de l'ouverture d'accès 27 afin d'isoler le canal 22 de façon à conserver la pression à l'intérieur du canal 22. En ce qui concerne la soupape d'éjection, une fabrication simultanée élimine la nécessité d'un composant séparé. Par exemple, de façon caractéristique, une soupape d'éjection séparée serait insérée physiquement dans la cavité de moule après la fabrication de la cavité de moule. En variante, une broche d'éjection mobile serait incorporée dans la cavité de moule afin de libérer la pièce moulée. La présente invention élimine la nécessité de l'insertion d'une soupape d'éjection séparée, ou bien l'incorporation de broches mobiles. La forme et l'emplacement de la soupape d'éjection sont largement régis par la forme 2 0 de la pièce moulée, et par la rigidité ou la souplesse de la matière plastique utilisée pour mouler la pièce. La soupape d'éjection 24 présente une forme qui coulisse aisément entre les positions fermée et ouverte. Des considérations particulières doivent être prises en compte afin de fabriquer la soupape d'éjection 24 de façon simultanée à la cavité de moule lorsque l'on utilise une stéréolithographie. Comme illustré sur la figure 8, une considération peut être nécessaire lors de la fabrication de la soupape d'éjection. Comme représenté, la soupape d'éjection 24 n'est pas autoporteuse, c'est-à-dire que chaque nouvelle couche n'est pas supportée par une couche précédente, en particulier lorsqu'une surface inférieure de la base de soupape 24B est engendrée. En conséquence, une pluralité de supports de fabrication 28 sont modélisés dans le modèle engendré par ordinateur de cavité de moule. Ces supports de 3 0 fabrication sont ensuite produits pendant le procédé d'addition de couches, comme illustré sur la figure 8. La figure 9 donne une vue en section transversale de supports de fabrication 28 appropriés. Comme représenté sur la figure 9, les supports de fabrication sont de préférence des poutres à parois minces en croix présentant une forme de "+". Les demandeurs ont découvert que de tels supports de fabrication présentant une épaisseur comprise entre 0,076 mm et 0,25 mm (0,003 et 0,010 pouce) étaient appropriés. Tandis que les supports de fabrication 28 sont fabriqués pendant le moulage de la cavité de moule, les supports de fabrication sont enlevés avant d'utiliser la cavité de moule. Les supports de fabrication peuvent être enlevés par l'intermédiaire de l'ouverture d'accès 27. Une autre considération apportée à la fabrication de la soupape d'éjection est le jeu entre la soupape d'éjection et l'ouverture 25 dans laquelle elle se déplace. Un jeu trop important résulte en un actionnement incorrect (par exemple, imprécis). Un jeu trop faible résulte en un déplacement impossible car le procédé d'addition de couches polymériserait la soupape d'éjection et l'ouverture (par exemple, ferait "croître" les pièces ensemble). La figure 10 fournit une vue agrandie d'une partie d'une vue en section transversale d'un modèle engendré par ordinateur d'une cavité de moule conforme à la présente invention. Les demandeurs ont découvert que, pour la stéréolithographie, un jeu minimum de 0,25 mm (0,010 pouce) (indiquée sur la figure 10 par la référence numérique 36) doit être prévu entre la tige de la soupape d'éjection 24S et la partie de puits 25S de l'ouverture 25. En outre, une région en creux d'approximativement 0,76 mm (0,030 pouce) (indiqué sur la figure 10 par la référence numérique 40) limite la traînée sur la tige de soupape 24S lorsque la soupape d'éjection est actionnée par le gaz. Encore en outre, des découpures superficielles 42 peuvent être ajoutées sur une partie supérieure de la soupape d'éjection afin de limiter l'aire de la surface de contact d'un joint formé entre la soupape d'éjection et la cavité de moule, minimisant ainsi la pression nécessaire pour rompre le joint et déplacer la soupape d'éjection vers la position d'éjection. Un angle de 45 degrés sur une surface d'appui 31 de l'ouverture 25 sur laquelle s'appuie la soupape d'éjection 24 (indiqué sur la figure 10 par la référence numérique 44), élimine la construction de supports de fabrication entre la soupape d'éjection et le siège de soupape. Des nervures 30 sont disposées sur une surface supérieure de la partie de base 25B de l'ouverture 25, au moins tous les 90 degrés autour de l'axe de coulissement A de la soupape d'éjection. Ces nervures limitent le déplacement vers le haut de la soupape d'éjection 24, mais permettent cependant au gaz de circuler lorsque la soupape d'éjection se trouve dans la position ouverte. Les nervures 30 définissent un espace entre la soupape d'éjection et l'ouverture 25. Cet espace permet qu'une circulation continue de gaz "chasse" la pièce moulée de la soupape d'éjection, en forçant la pièce moulée à l'écart de la cavité de moule. En outre, un angle de joint de 3 degrés peut être prévu entre la soupape d'éjection 24 et l'ouverture 25 (indiqué sur la figure 10 par les références numériques 32 et 34) afin de définir un joint. Le joint résultant élimine l'échappement de matière plastique entre la soupape d'éjection et l'ouverture 25, et isole la pression de gaz venant de dessous jusqu'à ce que la pression de gaz entraîne la soupape d'éjection vers le haut avec une force suffisante pour éjecter la pièce moulée, Pour l'exemple représenté sur la figure 10, la soupape d'éjection se déplace sur approximativement 6,35 nm (0,25 pouce) entre la position de non-éjection et la position d'éjection. Une fois le modèle engendré par ordinateur obtenu, on emploie le procédé d'addition de couches pour fabriquer la cavité de moule. Pour une stéréolithographie, comme on l'a décrit précédemment, le procédé emploie de façon caractéristique une source lumineuse mobile commandée par ordinateur tel qu'un laser à ultraviolet hélium-cadmium ou à argon afin de tracer des sections transversales d'un modèle engendré par ordinateur sur une surface d'une cuve d'un matériau pouvant être chauffé par laser, durcissant/solidifiant ainsi le matériau. Après que la première couche est achevée, une plate-forme maintenant l'objet formé est abaissée, laissant une nouvelle couche du matériau liquide au-dessus du matériau chauffé (c'est-à-dire, durci) d'une épaisseur égale à la trace en section transversale réalisée par le laser. Le procédé est répété jusqu'à ce que la cavité de moule soit achevée, de sorte que, une fois la plate-forme élevée, la cavité de moule tridimensionnelle en matière plastique moulée solidifiée émerge de la cuve. La cavité moulée est placée dans un dispositif de post- traitement dans lequel elle est exposée à un rayonnement ultraviolet afin de provoquer un 2 0 réchauffement complet et la solidification de la cavité. Lors de la sélection d'un matériau pouvant être durci par laser en vue de la formation d'une cavité de moule à injection, plusieurs caractéristiques doivent être considérées. D'un point de vue de possibilité d'utilisation, le matériau doit être approprié à son but prévu. Pour l'application particulière d'un moulage par injection, le matériau ne doit pas interagir avec la matière plastique fondue qui sera injectée dans la cavité de moule, et le matériau doit être capable de supporter la pression d'injection, la température, ainsi que la facilité de sortie de la pièce moulée de la cavité de moule. D'un point de vue de fabrication, le matériau pouvant être durci par laser doit permettre une précision des dimensions. En conséquence, le retrait, le vrillage, et la déformation par fluage doivent être minimum. Des inexactitudes peuvent 3 0 affecter de façon nuisible les caractéristiques dimensionnelles d'une petite pièce moulée, et peuvent résulter en l'impossibilité de sortir la pièce moulée de la cavité de moule. Les demandeurs ont découvert qu'un matériau pouvant être durci par laser convenant à la présente invention est une résine telle le Somos Photopolymère 7100 et le Somos Photopolymère 6110 de Dupont (une résine époxy à productivité élevée et précision 3 5 élevée). Peuvent également convenir la résine SL5170 (une résine à base d'époxy) et la résine SL5190 produites par Ciba-Geigy. En utilisant ces matériaux pouvant être durciss au laser, on a utilisé des matières plastiques telles que du polyéthylène et du polystyrène pour produire la pièce moulée. REVENDICATIONS 1. Cavité de moule (14) à injection engendrée par ordinateur et fabriquée à partir d'un procédé de superpositions de couches de résine pouvant être solidifiée par chauffage au moyen d'un laser, cavité comprenant une soupape d'éjection (24) munie d'une tige dont au moins une partie peut être déplacée à l'intérieur d'une ouverture (25) de la cavité, un canal (26) en forme de larme en communication avec la soupape (24) d'éjection et un jeu minimum de 0,25 mm entre la partie de tige et l'ouverture (25). 2. Cavité de moule selon la revendication 1, dans laquelle la soupape (24) comprend au moins quatre nervures (30) espacées de façon équidistante. 3. Cavité de moule selon la revendication 1, dans laquelle la soupape d'éjection se déplace sur approximativement 6,35 mm. 4. Procédé de formation d'une cavité de moule à injection en utilisant une stéréolithographie comprenant: la génération d'un modèle engendré par ordinateur représentatif de la cavité de moule, le modèle comprenant un canal en forme de larme en communication avec une soupape d'éjection, le modèle comprenant en outre des supports de fabrication (28), le tracé d'une section transversale du modèle engendré par ordinateur sur une surface d'une cuve d'une résine pouvant être chauffée par laser afin de solidifier la résine au niveau de la section transversale, 2 o l'abaissement de la cuve, et la répétition des étapes de tracé et d'abaissement afin de fabriquer la cavité de moule à injection, et la formation du canal et de la soupape d'éjection simultanément à la fabrication de la cavité de moule. 5. Procédé de formation d'une pièce moulée par injection, comprenant: la formation d'une cavité de moule à injection conformément au procédé de la revendication 1, l'injection d'une quantité prédéterminée de matériau fondu dans la cavité de moule, le refroidissement du matériau fondu afin de former la partie moulée, 3 0 l'ouverture de la cavité de moule, l'injection d'un gaz sous pression par l'intermédiaire du canal jusque dans la cavité de moule, l'actionnement de la soupape d'éjection en réponse à la circulation de gaz à l'intérieur du canal, et l'éjection de la pièce moulée hors de la cavité de moule en réponse à l'actionnement de la soupape d'éjection.