Moulage par injection ABS

Si aujourd'hui tout le savoir-faire du moulage par injection d'ABS venait à disparaître, les fondements mêmes de la civilisation pourraient s'effondrer. Depuis les années 1950, l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) joue un rôle essentiel dans la fabrication de biens de consommation, d'électronique, de dispositifs médicaux et bien d'autres produits, offrant une résistance et une rentabilité incomparables. En 2023, LEGO fabriquait plus de 80 % de ses produits en ABS.

On observe des niveaux de demande et d'utilisation de l'ABS similaires chez Samsung, Ford, Dyson et Medtronic. L'électronique et les biens de consommation sont clairement les principaux moteurs du moulage par injection d'ABS. Le matériau lui-même est très économique, mais le procédé de moulage par injection le rend encore plus avantageux en termes de rapidité, de rentabilité et d'adaptabilité à grande échelle.

Qu’est-ce que le moulage par injection ABS ?

Le moulage par injection d'ABS désigne la production en série de pièces et de produits finis à partir de résines ABS fondues injectées à haute pression et température dans un moule métallique prédéfini. Ce procédé de haute précision permet de résoudre de nombreux problèmes de fabrication. Des études montrent qu'en ajustant des paramètres clés tels que la température du moule et la pression de maintien , les fabricants peuvent atteindre des niveaux optimaux de :

• Précision dimensionnelle (risques minimes de fissures internes)
• Répétabilité du processus et efficacité temporelle
• Évolutivité et réduction des coûts (grâce aux économies d'échelle)

L'ABS est un excellent matériau pour le moulage par injection car il est très fluide à l'état fondu. Sa faible viscosité permet de réaliser d'importantes économies car elle améliore le remplissage des cavités et, par conséquent, la précision dimensionnelle des pièces. Ce matériau refroidit de manière prévisible entre 40 et 80 degrés Celsius. Les pièces en ABS conservent leur forme et leurs propriétés géométriques uniques lors du refroidissement.

Des marques comme Nintendo et Sony ont tiré profit du moulage par injection ABS, notamment en accélérant la livraison de leurs produits et en réduisant considérablement les coûts par rapport à l'utilisation d'autres matériaux. Les boîtiers des consoles Nintendo Switch et Sony PlayStation 5 sont fabriqués par moulage par injection ABS. L'utilisateur final bénéficie de nombreux avantages, tels qu'une meilleure durabilité, une résistance accrue aux chocs et aux rayures.

Propriétés du matériau ABS

L'ABS est un assemblage de monomères, à savoir l'acrylonitrile, le butadiène et le styrène, chacun conférant des propriétés uniques à l'ensemble. Il présente une bonne résistance aux chocs, une résistance à la traction et une rigidité élevées, ainsi qu'une résistance chimique satisfaisante et une résistance thermique modérée.

• L'acrylonitrile est connu pour résister à l'exposition à des produits chimiques agressifs et à la chaleur sans se déformer. 
• Le butane est synonyme de robustesse, garantissant la survie des pièces et des produits même en cas de chute ou de choc.
• Le styrène garantit une résistance interne et une finition de surface extérieure attrayante

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Exemples de propriétés de l'ABS dans l'industrie

Les raisons pour lesquelles de nombreux fabricants, notamment dans l'automobile et les cosmétiques, optent pour l'ABS sont stratégiques. Par exemple, Mercedes et BMW utilisent l'ABS pour des éléments intérieurs tels que les tableaux de bord, car il est inaltérable. Dans le secteur médical , les boîtiers des appareils de surveillance des patients, les nébuliseurs et les instruments chirurgicaux sont fabriqués en ABS en raison de sa robustesse et de ses propriétés hygiéniques supérieures. Les ABS de qualité médicale sont faciles à nettoyer et biocompatibles.

Dans le secteur des cosmétiques , les emballages doivent résister aux chocs importants en cas de chute ou être stockés dans des environnements exposés aux rayures, aux huiles et aux produits chimiques. L'ABS offre la durabilité nécessaire pour supporter ces conditions d'utilisation et de stockage exigeantes. De plus, les marques de cosmétiques apprécient la stabilité de sa couleur, qui permet de réaliser des emballages aux finitions élégantes. Coffrets de maquillage, couvercles, miroirs, boîtiers compacts et tubes de mascara peuvent être fabriqués en ABS, comme en témoignent les produits de marques telles que Revlon, Aveda et L'Oréal.

Qu'est-ce qui fait de l'ABS un matériau supérieur ?

Un examen plus approfondi des propriétés de l'ABS révèle des faits surprenants. De nombreux autres thermoplastiques présentent des propriétés avantageuses qui surpassent largement celles de l'ABS. Le seul atout de l'ABS réside dans sa capacité à combiner de nombreuses propriétés bénéfiques au sein d'un seul matériau, ce qui permet d'améliorer globalement les performances des applications.

Par exemple, la résistance aux chocs de l'ABS est de 200 à 300 joules par mètre. Bien que plus résistante que de nombreux thermoplastiques comme le nylon et le polyéthylène, elle est inférieure à celle du polycarbonate. Cependant, contrairement au PC, l'ABS est beaucoup plus abordable, possède de meilleures propriétés d'écoulement et permet de produire des pièces aux finitions lisses.

Il en va de même pour la résistance à la traction. L'ABS se situe parmi les meilleurs et compense ses lacunes par d'autres propriétés supérieures. Sa résistance à la traction est de 22 à 74 MPa, inférieure à celle du polycarbonate (72 à 90 MPa) mais supérieure à celle du PEHD (15 à 45 MPa). Cependant, l'ABS est plus léger et son coût de moulage par injection est globalement inférieur.

À quelle température l'ABS devient-il souple ?

L'ABS fond entre 170 et 190 degrés Celsius, mais il est injecté entre 200 et 240 degrés Celsius, selon sa qualité. Cette température est optimale pour une fluidité maximale et des temps de cycle plus courts, et peut contribuer à réduire les coûts de fabrication. La température à laquelle les matériaux de moulage par injection deviennent souples et malléables a un impact direct sur la réussite du processus.

Il apparaît que la température de souplesse relativement élevée de l'ABS influe sur ses performances dans les applications pratiques. Les pièces en ABS résistent aux hautes températures. L'ABS est particulièrement fiable dans les tableaux de bord automobiles où les températures peuvent atteindre 80 degrés, voire plus. Pour les applications exigeant une résistance thermique encore plus élevée, comme dans l'aérospatiale, le PEEK (polyétheréthercétone) est le matériau de prédilection.

Le plastique ABS peut-il être considéré comme solide et sûr ?

Oui. L'ABS est un matériau fiable dont le niveau de sécurité est éprouvé lorsqu'il est utilisé conformément aux normes industrielles et aux réglementations en vigueur.

• Pièces ABS standard conforme à la norme UL 94 HB, la certification de résistance à la flamme de niveau de base.
• Les grades d'ABS ignifugés (renforcés par des composés chlorés) répondent à des normes plus élevées. UL 94 VO Caractéristiques d'utilisation pour les composants électroniques.
• Les grades ABS conformes aux normes de la FDA (polymères conformes à la norme 21 CFR 178.3297) peuvent être utilisés en toute sécurité dans les emballages alimentaires et les tiroirs de réfrigérateur. 
• Les matériaux ABS sont sans danger pour les enfants (aucun rappel de produits LEGO n'a été effectué depuis 2009), sont plus faciles à nettoyer et ne contiennent ni BPA ni phtalates nocifs.
• La sécurité mécanique de l'ABS est assurée par sa haute résistance aux chocs, sa haute résistance à la traction, sa bonne durabilité et sa stabilité dimensionnelle.

Cependant, la résistance aux UV de l'ABS est nettement inférieure à celle d'autres matériaux. Sans additif spécifique, les pièces en ABS deviennent cassantes, se décolorent et peuvent se détériorer. C'est pourquoi les marques d'outillage d'extérieur comme Dewalt et Ryobi privilégient le polycarbonate pour le boîtier de leurs outils, en raison de sa résistance aux UV et de sa plus grande robustesse mécanique.

Quand devriez-vous envisager le plastique ABS ?

Comme nous l'avons vu précédemment, l'ABS offre un équilibre unique entre rentabilité, résistance, rigidité et esthétique, que peu d'autres résines peuvent égaler. Si votre application requiert cet équilibre rare de propriétés avantageuses, alors l'ABS est une solution à considérer. Ses applications conviennent aussi bien aux jeunes entreprises qu'aux fabricants établis, et ce, dans de nombreux secteurs d'activité.

Utilisez l'ABS pour la fabrication de pièces qui doivent être à la fois légères et résistantes aux chocs. Vos produits résisteront aux impacts sans se briser, ce qui se traduira par une durée de vie accrue et une meilleure satisfaction client.

Optez pour l'ABS pour la fabrication de produits esthétiques destinés aux consommateurs. L'ABS garantit une finition de surface de haute qualité , avec des façades lisses et brillantes nécessitant un minimum de polissage et de peinture.

Les jeunes entreprises généralistes souhaitant accélérer leur développement devraient envisager l'ABS, un matériau plus économique. Peu d'autres matériaux offrent un rapport qualité-prix aussi avantageux que l'ABS et ses excellentes propriétés mécaniques. C'est donc un choix idéal pour les débutants, car il permet d'optimiser un petit budget sans compromettre la qualité.

Utilisez l'ABS pour les applications exigeant une grande précision, où l'ajustement est crucial. Dans les applications sur mesure, même de légères variations de géométrie peuvent engendrer des problèmes de performance et de sécurité, voire des rappels de produits coûteux. L'ABS, grâce à son faible retrait et à ses propriétés d'écoulement stables, est la solution idéale pour une précision dimensionnelle optimale des pièces.

Voici d'autres cas où l'utilisation de l'ABS est particulièrement pertinente :

• Lorsque vous avez besoin de simplifier la fabrication, l'ABS est facile à transformer, ce qui vous permet de produire un grand volume de produits rapidement et à moindre coût.
• Si vous devez fabriquer des pièces présentant une bonne isolation électrique, l'ABS possède de bonnes propriétés isolantes.
• Lorsque vous avez besoin de résines compatibles avec les additifs, l'ABS se marie bien avec les additifs qui améliorent sa résistance, sa résistance aux UV et sa résistance à la température.

Comment mouler par injection du plastique ABS

L'ABS peut être moulé par injection à l'aide de presses électriques, hybrides ou hydrauliques. La première étape consiste à sécher ce matériau en raison de son hygroscopicité, qui lui permet d'absorber l'excès d'humidité ambiante. Le séchage prévient les défauts d'aspect, tels que les stries, sur le produit fini.

Ensuite, les granulés d'ABS sont fondus dans un cylindre à haute température (180-200 °C) jusqu'à l'obtention d'un état liquide. L'ABS fondu est ensuite injecté dans une cavité de moule préinstallée sous une pression élevée d'environ 150 MPa et laissé à refroidir. En refroidissant, l'ABS prend la forme et les dimensions du moule. Une fois le refroidissement suffisant atteint, la pièce est démoulée et acheminée vers l'étape de post-traitement pour le polissage ou la peinture.

L'ABS exige un contrôle précis de la température, et la pression doit également être surveillée avec soin lors du moulage par injection. De faibles écarts par rapport aux températures et pressions optimales de moulage et de refroidissement entraînent des fissures et des déformations. 

Le succès du moulage par injection d'ABS et, par extension, ses performances dans les applications IRL dépendent largement de l'efficacité du procédé. De la conception des pièces à l'outillage en passant par le contrôle des paramètres, de nombreuses possibilités s'offrent aux ingénieurs pour optimiser la qualité de la production. 

Conseils de conception pour le moulage par injection ABS

Les objectifs du moulage par injection d'ABS visent à améliorer la fabricabilité, l'intégrité structurelle et la qualité esthétique des pièces. Ces objectifs de conception sont valables quel que soit le type de produit ou le secteur d'activité, et les fabricants peuvent les atteindre en :

• Maintenir une épaisseur de paroi uniforme pour éviter le gauchissement ou le retrait
• Utiliser des angles de dépouille faibles à modérés, entre 1 et 2 degrés, pour une éjection plus facile et sans rayures.
• Réduire les contre-dépouilles et autres éléments de conception complexes qui augmentent les coûts de fabrication
• Réduction des temps de cycle grâce à la mise en œuvre de systèmes de refroidissement haute performance
• Renforcement de la pièce par des nervures et des inserts pour augmenter sa résistance structurelle
• Optimisation du positionnement des vannes pour un meilleur débit

Le maintien de l'épaisseur des parois est essentiel. Sans cela, le matériau ne remplira pas la cavité, ce qui entraînera un refroidissement irrégulier et, par conséquent, des déformations. Les ingénieurs peuvent utiliser des simulations d'écoulement dans le moule pour mieux prévoir les dimensions optimales des parois et ainsi favoriser un écoulement et un refroidissement efficaces.

Concernant les angles de dépouille optimaux, il est préférable de les définir dès la conception CAO plutôt qu'en cours de production. Cela évite les déformations et garantit une finition de surface plus lisse pour les pièces éjectées. Optimiser les angles de dépouille pendant le cycle de production peut engendrer des retards et des modifications coûteuses.

Les contre-dépouilles ne sont utiles que si la conception l'exige. Autrement, elles augmentent les coûts. Le recours à une géométrie de séparation et à des angles de dépouille importants permet de s'en passer.

Pour des cycles de production plus courts (et des coûts de production réduits), il est indispensable d'installer des systèmes de refroidissement autour des points chauds, notamment là où les parois sont les plus épaisses pour une absorption de chaleur maximale. Le moulage par injection de parois minces est également une solution intéressante. Il convient toutefois de veiller à ce que l'amincissement des parois ne compromette pas la résistance et la rigidité structurelle des pièces.

Quels sont les avantages et les inconvénients du moulage par injection d'ABS ?

Avantages

• Haute résistance aux impacts
• Abordable et léger
• Une efficacité de traitement accrue
• Prend en charge les géométries complexes
• Peut être chromé
• Maintient la stabilité des couleurs

Inconvénients

• Se dégrade sous l'effet de la chaleur intense
• Résistance aux UV des excréments
• Sensibilité à l'humidité

ABS vs autres plastiques

Tableau comparatif de l'ABS et d'autres plastiques

Propriétés	ABS	Polycarbonate	polypropylène	Nylon (PA6)	polystyrène	Polyoxyméthylène
Résistance à la traction (MPa)	29 – 48	55 – 66	25 – 40	70 – 86	30 – 60	60 – 70
Résistance thermique (°C)	80 – 100	65- 75	82 – 135	150 -200	60 – 80	82- 105
Résistance aux chocs (kJ/m²)	10 – 20	60 – 90	3 – 30	5 – 15	2- 15	5 – 25
Module de flexion (MPa)	1,600 – 2,400	2,000 – 10,000	1,100 -1500	1,000 – 1,300	2,500 – 3,200	2,410 -3,100
Absorption d'humidité (% en poids)	0.1 – 0.6	0.2 – 0.3	Moins de 0.03	1.4 – 10	0.3 – 15	0.2 – 0.8
Température de fléchissement sous charge (°C sous une charge de 1.8 MPa)	88 – 100	130 – 180	60 – 70	60 – 255	70 – 100	105 – 120

Quelle est la différence entre le moulage par injection d'ABS et de PC ?

Le moulage par injection de PC est beaucoup plus complexe que celui d'ABS. Alors que l'ABS nécessite des températures modérées de 220 à 250 degrés Celsius, le moulage par injection de PC requiert des températures plus élevées, de 260 à 320 degrés Celsius.

L'ABS est plus facile à mouler par injection car il s'écoule rapidement et facilement à basse pression. Le PC, quant à lui, est un matériau très visqueux à l'état fondu, ce qui peut poser des problèmes importants et nécessiter des températures d'injection plus élevées pour un remplissage complet.

Une autre différence réside dans le processus de séchage avant la fusion et l'injection. L'ABS est un matériau hygroscopique qui nécessite un séchage préalable à la fusion. Le PC, quant à lui, est encore plus hygroscopique, ce qui implique un temps de séchage plus long que pour l'ABS.

Comme on peut s'y attendre, les temps de cycle de production pour le moulage par injection de PC sont plus longs que pour l'ABS. Outre un temps de moulage plus long et une viscosité élevée qui influe sur le temps d'écoulement, le PC nécessite des temps de refroidissement plus longs. Cela se traduit souvent par une consommation d'énergie et des coûts horaires machine plus importants, ce qui augmente les coûts de production globaux.

Quelles sont les applications du moulage par injection ABS ?

• Les fabricants d'ordinateurs utilisent de l'ABS moulé par injection pour les boîtiers d'ordinateurs portables et les boîtiers d'écrans.
• Les constructeurs automobiles utilisent le moulage par injection ABS pour les garnitures intérieures et les coques de dossiers de sièges.
• Les fabricants d'appareils électroménagers utilisent de l'ABS pour les revêtements intérieurs des réfrigérateurs.
• Les fabricants du secteur de la construction utilisent l'ABS pour les tuyaux et les raccords.
• Dans l'industrie des outils électriques, l'ABS est utilisé pour les boîtiers extérieurs.
• Dans l'industrie des biens de consommation, l'ABS est un composant clé des jouets, des casques, des planches à roulettes, des mixeurs et des cafetières.

Comment surmonter les défis du moulage par injection d'ABS ?

Marques d'évier

Il s'agit d'un défaut esthétique apparaissant sur la pièce finie suite à un refroidissement tardif du noyau lors de la solidification rapide de la surface. L'utilisation de canaux de refroidissement judicieusement espacés dans les parties épaisses du moule permet d'homogénéiser le refroidissement. Parfois, la correction des retassures nécessite également l'ajout de nervures et de goussets afin de maintenir l'uniformité de l'épaisseur des parois et de réduire le risque de retrait.

Lignes de soudure

Lorsque des flux de matière fondue distincts se rencontrent dans le moule sans fusionner complètement au niveau moléculaire, des lignes de soudure apparaissent sur la pièce moulée. Il ne s'agit pas seulement d'un problème esthétique, car ces lignes peuvent révéler une fragilité structurelle aux points de convergence. Pour éliminer ces lignes de soudure lors du moulage par injection d'ABS, on peut opter pour des points d'injection plus larges afin d'optimiser l'écoulement du matériau et utiliser des canaux chauds pour maintenir des températures plus élevées et assurer une fusion moléculaire complète.

Les vides

Les vides sont les espaces internes des pièces moulées en ABS, généralement remplis d'air emprisonné. Ce problème survient lorsque différentes parties de la pièce refroidissent à des vitesses différentes, la surface extérieure refroidissant plus vite que les couches internes. Pour remédier aux vides lors du moulage par injection d'ABS, il faut augmenter la pression et la durée du processus d'injection. Cela permet à la matière de se répartir de manière plus homogène et de remplir toutes les cavités, éliminant ainsi les poches d'air.

Warpage

Les contraintes internes dans la pièce moulée, comme celles dues à un refroidissement inégal, peuvent provoquer des déformations ou des gauchissements. Lors du moulage par injection d'ABS, les ingénieurs peuvent prévenir ces déformations en intégrant judicieusement des canaux de refroidissement. Par exemple, les zones plus épaisses nécessitent un refroidissement plus rapide, tandis que les zones plus fines doivent être conçues pour un refroidissement plus lent.

Alternatives au moulage par injection d'ABS

Le moulage sous vide est une excellente alternative pour les volumes de production inférieurs à 500 unités. Cependant, les pièces moulées sous vide sont moins durables que les pièces en ABS, et les moules en silicone se dégradent après seulement quelques cycles.

L'impression 3D FDM est l'alternative la plus courante au moulage par injection ABS pour les essais d'ajustement. Cependant, un inconvénient majeur des pièces imprimées en 3D réside dans la fragilité des lignes de couches, qui peut réduire leur résistance aux chocs jusqu'à 50 %.

L'usinage CNC est une autre alternative prometteuse au moulage par injection d'ABS. Il est plus adapté à la production rapide de prototypes sans moulage. Son principal avantage par rapport au moulage par injection réside dans la haute précision des résultats obtenus pour les pièces exigeant des tolérances serrées. Cependant, l'usinage CNC est plus coûteux par pièce que le moulage par injection.

Parmi les autres techniques de fabrication de pièces en ABS moins répandues, on peut citer :

• Frittage laser sélectif
• Thermoformage
• Soufflage
• Stéréolithographie

Combien coûte le moulage par injection ABS ?

Le coût total du moulage par injection d'ABS est la somme des différentes dépenses suivantes encourues lors de la production :

• Coût des matières premières par kg : 1.3 $ – 3.6 $
• Coûts de prototypage : 100 $ à 2 500 $ par pièce
• Coût de fabrication des moules : de 1 000 $ à plus de 100 000 $, selon le nombre de cavités et les tolérances.
• Coût horaire de la machine : 300 à 700 $ par heure
• Frais de main-d'œuvre : 35 $ à 200 $ l'heure

À lire également : Combien coûte le moulage par injection sur mesure ?

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Conclusion

Le moulage par injection d'ABS est une solution économique et fiable pour répondre à la demande croissante de pièces en ABS dans tous les secteurs industriels. Ses avantages résident dans les propriétés du matériau, son excellent compromis entre résistance et rentabilité, ainsi que dans la rapidité et l'adaptabilité du procédé.  

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