Moules en acier ou en aluminium : optimisation des coûts de moulage par injection

Conformément à ISO 9001:2015 8.1, l'organisation doit garantir que les services sont fournis dans des conditions contrôlées, y compris la disponibilité d'instructions de travail, l'utilisation d'équipements appropriés et l'application de surveillance et de mesure.

Pour mettre pleinement en œuvre cette norme, JS Precision adopteun système de contrôle des coûts en boucle fermée pour son service de moulage par injection personnalisé : depuis le pré-audit DFM, l'usinage des cavités de coque (précision ±0,005 mm), l'inspection complète du moulage d'essai par CMM jusqu'à la livraison par lots, jusqu'au coût du modèle de comptabilité du cycle de vie total (TCO), en s'assurant que chaque centime de l'investissement en moule du client est enregistré, mesurable et gérable.

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Qu'est-ce qui détermine la répartition des coûts d'outillage de moulage par injection ?

Le coût de l'outillage de moulage par injection comprend principalement la programmation CAM, le fraisage CNC à grande vitesse et le temps d'usinage par électroérosion (55 %), le coût du matériau du moule (20 %) et le coût d'assemblage et de débogage. (25%).

Répartition des coûts de temps d'usinage

Lors de la fourniture d'un service de moulage par injection personnalisé, il existe une différence significative en termes d'efficacité d'usinage entre les moules en alliage d'aluminium et en acier :

• Avantages de l'utilisation de l'usinage de moules en aluminium :

Le taux d'élimination du volume de copeaux (MRR) de l'Al7075-T6 est environ 4 à 5 fois supérieur à celui de l'acier pour moule P20, ce qui rend le temps de découpe manuelle avec une fraise CNC environ 60 % plus rapide. Cela signifie qu'il y a moins d'usure sur la broche de la machine-outil.

• Caractéristiques de l'usinage de moules en acier :

En ce qui concerne les moules avec des cavités profondes et difficiles ou des textures de surface fines, bien que la vitesse de découpe des matériaux en acier soit faible, la dureté jusqu'à HR52 pourrait être atteinte en les traitant thermiquement afin qu'il n'y ait pas de déformation à la fois lors du processus d'assemblage et d'injection à haute pression.

• Proportion du temps d'usinage par électroérosion :

Pour les caractéristiques telles que les nervures profondes et les micro-trous qui ne peuvent pas être usinés directement avec une machine-outil CNC, le temps d'usinage par électroérosion (EDM) prend environ 15 à 25 % du temps d'usinage total seulement.

Structure des coûts des matériaux de moule

Une fois que les ingénieurs des achats connaissent séparément le pourcentage des coûts de main-d'œuvre et de matériaux, ils peuvent éviter précisément de payer des primes lors des négociations sur le coût de l'outillage de moulage par injection. Étant donné que les projets d'outillage de moulage par injection à faible volume utilisent des moules en aluminium qui ont des coûts de matériaux inférieurs et un traitement plus rapide, ces avantages réduisent encore leur coût total.

Figure 1 : Moules en acier et dessins techniques pour l'analyse des coûts.

Comment un service d'outillage de moules en aluminium optimise-t-il les coûts de moulage par injection à faible volume ?

Le service d'outillage de moules en aluminium réduit le temps de traitement de plus de 50 % en utilisant de l'aluminium hautement usinable, permettant ainsi de réduire les dépenses d'investissement initiales dans la production à faible volume de1 000 à 50 000 pièces.

Une conductivité thermique élevée réduit les coûts de main-d'œuvre

Dans les stratégies d'outillage de moulage par injection à faible volume, les avantages techniques de l'Al7075-T6 sont les suivants :

1. Avantage en matière de conductivité thermique : La conductivité thermique de l'alliage d'aluminium Al7075-T6 est assez élevée par rapport aux moules en acier (par exemple, les moules en acier P20). La plage de conductivité thermique typique est de 130-160 W/m·K pour l'Al7075-T6 contre seulement 29 W/m·K pour les moules en acier P20.
2. Durée de cycle plus courte : Le refroidissement plus important de la matière fondue vous permettra de réduire la durée d'un cycle d'injection de 30 à 40 %, réduisant ainsi les coûts de production liés à la location et à la main d'œuvre d'exploitation des machines de moulage par injection.
3. Logique de décision : si votre commande est inférieure à 50 000 pièces et que vous injectez une résine non abrasive, utiliser le service d'outillage de moules en aluminium est la meilleure option.

La conception légère réduit les coûts d'installation

1. Installation plus rapide : L'utilisation de moules en aluminium léger réduit de moitié le temps de mise en place.
2. Multi : Idéal pour fabriquer des pièces flexibles civiles en petites quantités qui couvrent un large spectre de types de produits.
3. Prototypage rapide : Les propriétés des matériaux souples permettent un taux d'enlèvement (enlèvement de métal) plus élevé lors des révisions de conception ECO qu'avec des moules en acier.

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Figure 2 : Pièces en plastique colorées produites avec un outillage de moule en aluminium.

Pourquoi un service d'outillage de moules en acier offre-t-il un retour sur investissement supérieur pour le moulage par injection de gros volumes ?

Service d'outillage de moules en acier, tirant parti de la résistance à l'usure et à la compression de l'acier à outils trempé (tel que le H13/420SS), peut résister à des millions de cycles d'emboutissagesans dépasser les tolérances, permettant ainsi d'obtenir l'amortissement du coût par pièce du moule le plus bas possible dans la production de masse.

Amortissement du coût du moule par pièce

Analyse comparative des coûts d'outillage dans le moule :

• Différenciation des coûts initiaux : les moules en acier entraînent une dépense initiale d'environ 2 à 4 fois le coût total des moules en aluminium.
• Coût après amortissement : avec un coût de production amorti sur plus d'un million d'unités, la dépréciation de chaque moule est inférieure à cinq cents.
• Point d'inflexion du retour sur investissement : Une fois que la quantité totale produite dépasse 100 000 pièces, la durée de vie du moule est le facteur dominant pour décider si le projet est rentable.

Stabilité dimensionnelle sous haute pression

• Résistance à la compression : Un moule en acier résistera facilement à l'injection d'un plastique qui donnera une pression de plus de 150 MPa.
• Étanchéité de la ligne de séparation : Un moule bien ajusté garantit que les dimensions restent dans une tolérance de ±0,01 mm à ±0,05 mm.
• Suppression du flash : Sans suppression manuelle du flash, pas besoin de payer le coût de cette opération.

Comparaison des propriétés physiques des matériaux de moulage

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Figure 3 : Moules en acier usiné pour la fabrication de gros volumes.

Comment calculer le coût total de possession entre le service d'outillage rapide en aluminium et les moules en acier ?

La comparaison du service d'outillage rapide en aluminium avec les moules d'injection en acier et en aluminium ne peut pas être effectuée uniquement en examinant le devis du moule. Un modèle complet de coût du cycle de vie (TCO), intégrant les dépenses liées aux moules, les coûts de main-d'œuvre des machines et le taux de rebut, est nécessaire pour calculer avec précision le seuil de rentabilité des coûts.

Formule de calcul du TCO :

TCO = Coût de l'outillage + (Coût de traitement unitaire × Volume de production) + Maintenance et perte de rebut

L'utilisation d'un service rapide d'outillage en aluminium peut réduire les coûts de moulage au début jusqu'à 60 % et économiser environ 35 % sur les coûts de traitement des machines de moulage par injection, principalement en raison des avantages du refroidissement.

Même ainsi, la limite d'élasticité de l'Al7075-T6 (505 MPa) est inférieure à celle de l'acier trempé H13 (1 650 MPa), de sorte que la surface de séparation peut être susceptible de s'user lorsque la pression de serrage est constante. Lorsque le nombre total de produits approche la gamme de 40 000 à 60 000 pièces, l'augmentation des coûts de maintenance et de mise au rebut de (l'aluminium) (moules) annulera en premier lieu ses avantages en termes de coûts.

Comparaison du coût total de possession réel pour 50 000 unités :

1. Solution de moule en aluminium : Le coût du moule était de 8 000 $, le coût de traitement unitaire était de 0,22 $ et le coût total de possession sera d'environ 19 000 $.
2. Solution de moule en acier : Le coût du moule était de 25 000 $, le coût de traitement unitaire était de 0,30 $ et le coût total de possession atteindra 35 000 $.
3. Évaluation financière : Avec un volume de production de 50 000 unités, le moule en aluminium sera très rentable. Mais si le volume total du projet est prévu de 500 000 unités, le coût total du moule en acier deviendra plus élevé.

Quel matériau de moule gère le mieux les résines abrasives et les tolérances élevées ?

Dans le service de moulage par injection personnalisé, les résines renforcées de fibres de verre (telles que le PA66-GF30) et les plastiques techniques à haute température sont très abrasifs et nécessitent que le moule ait une dureté de HRC 50 ou plus, faisant des moules en acier une option viable pour de tels matériaux.

Mécanisme d'abrasion de la fibre de verre

Dans la comparaison des coûts d'outillage de moule, les propriétés physiques de la résine plastique sont les indicateurs concrets qui déterminent la sélection des matériaux de moule :

• Érosion de la porte : L'utilisation d'un nylon renforcé à 30 % de fibres de verre (PA66-GF30) provoque l'usure de la surface de la cavité par la fibre de verre lorsqu'elle est utilisée dans des conditions de moulage par injection à grande vitesse.
• Moule en aluminium limité : Après 15 000 poinçonnages, le moule du portail en aluminium se dilatera et la taille de la pièce dépassera l'écart type de ± 0,1 mm.
• Précision du moule en acier : Si le moule en acier inoxydable trempé sous vide H13 ou 420, il peut gérer une température de fusion de 350 ℃ et une forte érosion des fibres.

Matrice de correspondance résine-moule

Figure 4 : Moules usinés en acier et en aluminium pour plus de précision.

Quels sont les risques techniques liés aux modifications DFM dans les moules en aluminium ?

Le service d'outillage de moules en aluminium est rapide lors de la coupe de métal (ajout de viande) à l'aide de la CNC, mais lors de la réparation des couches de soudure (réduction de la viande), la conductivité thermique élevée de l'alliage d'aluminium provoquera un ramollissement des pores et du recuit dans la zone de soudage, ce qui rendra plus difficile la modification du moule.

Difficulté à modifier la réduction de viande (remplissage métallique)

Dans le service d'outillage rapide en aluminium :

• Défauts de soudage : Le soudage par microfaisceau laser des alliages d'aluminium génère de la chaleur à une vitesse fulgurante et a tendance à développer des pores non fusionnés, qui sont des vides emprisonnés dans des gaz.
• Adoucissement local : Étant donné que la chaleur générée par le soudage affecte localement l'état du traitement thermique Al7075-T6, elle pourrait entraîner une réduction de 40 % de la dureté dans la zone affectée.
• Avantages du soudage des laminés dans des moules en acier : La procédure de soudage des moules en acier avec du fil de soudage H13 via un laser permet une réparation sans couture correspondant exactement au niveau de dureté du matériau de base.

Comparaison de la difficulté opérationnelle entre l'ajout de viande et la réduction de viande

Ajouter de la viande (enlever le métal) :

• Moule en aluminium : L'utilisation d'une machine CNC permet des vitesses de découpe très rapides. Il peut compléter la charge de travail du moule en acier consistant à enlever du matériau en 4 à 5 heures en 1 heure, avec une seule opération.
• Moule en acier : La vitesse de coupe est plus lente. Pourtant, un enlèvement de métal précis, par EDM, est possible.

Réduction de viande (garniture métallique) :

• Moule en aluminium : Le soudage laser de l'aluminium devrait créer des pores, réduire sa dureté de moitié environ et diminuer sa fiabilité.
• Moule en acier : Le soudage laminé laser au fil H13 vous permettra de réaliser une soudure impeccable dont la dureté sera parfaitement adaptée sans être un joint.

Vous craignez que les modifications de conception entraînent la mise au rebut des moules ? Nous pouvons réserver des inserts réglables dans le moule pour réduire le risque de modifications ECO et rendre votre service d'outillage de moules en aluminium plus flexible.

Comment JS Precision a-t-il permis à un équipementier industriel d'économiser 42 % sur ses coûts d'outillage grâce à l'outillage hybride ?

JS Precision a développé un moule composite à cadre en aluminium et noyau en acier pour un fournisseur d'équipements, réduisant les coûts initiaux de fabrication du moule de 42 % et raccourcissant le délai de livraison de 12 jours tout en maintenant une tolérance de ±0,05 mm pour 150 000 cycles.

Défis des clients :

Le client avait besoin de produire en série des boîtiers pour équipements non militaires à partir de plastique modifié PA66-GF20. La sortie projetée est d'environ 150 000 unités et la tolérance d'écart dimensionnel est de ± 0,05 mm. Un moule en acier complet au prix de 38 000 $ était trop cher, et le client a demandé à obtenir le premier échantillon 20 jours après la passation de la commande, car l'utilisation directe du moule en aluminium pur n'atteindrait pas une usure de 150 000 cycles.

Ce travail présentait un fort potentiel de réduction des coûts d'outillage de moulage par injection. Cependant, le projet était caractérisé par des contraintes techniques extrêmement strictes.

Solution de précision JS

Pour les services de moulage par injection personnalisés, l'équipe a conçu un système d'outillage hybride :

1. Base de moule en alliage d'aluminium : Une base de moule en alliage d'aluminium en Al7075-T6 à haute résistance est utilisée. Utilisant la capacité de l'Al7075-T6 à être découpé si rapidement par machine CNC et à avoir une excellente conductivité thermique pour le refroidissement thermique,
2. Inserts critiques en acier : L'acier trempé H13 est incorporé dans les inserts au niveau des vannes à haut débit et aux endroits dimensionnels critiques qui sont fortement affectés par l'abrasion de la fibre de verre.