Vous avez peut-être déjà vu ça. Le produit paraît superbe sur le fichier CAO, mais les pièces réelles sont de piètre qualité. C'est parce que les plastiques ont un comportement imprévisible : ils respirent, se rétractent et se déforment. Les ingénieurs qui maîtrisent les tolérances du moulage par injection peuvent anticiper ces variations et les intégrer dans leur conception.
La tolérance est le langage de la fabrication de précision. Ce n'est pas une simple suggestion. Chaque décimale sur un dessin est une garantie qui doit être respectée pendant un million de cycles et tout au long de la durée de vie de la pièce.
Que sont les tolérances de moulage par injection ?
La tolérance de moulage par injection correspond à l'écart admissible par rapport à la dimension d'une pièce. Il s'agit d'une valeur positive ou négative, souvent exprimée en millimètres ou en pouces.
Par exemple, lorsqu'un fichier CAO exige un diamètre de 100 mm, une tolérance de 0.05 mm nous indique si, à 100.05 mm ou à 99.95 mm, la pièce s'adaptera et fonctionnera correctement.
Les tolérances peuvent être faibles ou de haute précision. De manière générale, une tolérance faible est d'environ ± 0.05 mm. Ceci est acceptable pour les dispositifs d'assemblage.
Une tolérance de haute précision est d'environ plus ou moins 0.025 mm. Il s'agit d'une exigence pour les pièces critiques destinées aux applications aérospatiales ou médicales.
Les tolérances doivent tenir compte de :
- Variations entre les lots de matériaux
- Changements dans les températures de l'eau de refroidissement
- Usure des outils sur les lignes de séparation
Aucun processus de fabrication n'est parfait. Les dimensions d'une pièce varieront toujours naturellement par rapport au modèle d'origine.
Plus la tolérance est serrée, plus le coût de fabrication est élevé. Plus la tolérance est large, plus les performances de la pièce sont aléatoires.
L'objectif du tolérancement en moulage par injection est de définir les limites dimensionnelles les plus larges possibles permettant à une pièce de fonctionner à 100 % efficacement et d'être fabriquée rapidement.
Pourquoi le tolérancement est-il si crucial ?
Le tolérancement garantit le bon fonctionnement des pièces. Dans les applications concrètes, les tolérances ont un impact direct sur la sécurité, l'efficacité opérationnelle et le coût total de possession.
Si un composant chirurgical est décalé de quelques dixièmes de millimètre seulement, l'intervention médicale peut échouer et mettre la vie du patient en danger. De même, si une attache automobile est trop lâche, cela peut provoquer un court-circuit dangereux.
Les pannes mécaniques fréquentes dues à des pièces mal ajustées entraînent des temps d'arrêt coûteux et augmentent les coûts de maintenance.
Lorsqu'une pièce est fabriquée avec des tolérances appropriées, elle est plus performante, dure plus longtemps et coûte moins cher à produire.
Tolérances typiques pour les pièces moulées par injection
| Secteur de l'industrie | Exemples de pièces | Tolérance typique (mm) |
| Médical | Valves chirurgicales et instruments de dosage | ± 0.01 – 0.05 |
| Vitrines et Écrans Numériques | Micro-connecteurs et tiroirs SIM | ± 0.02 – 0.05 |
| Industrie aerospatiale | boîtiers et joints d'étanchéité avioniques | ± 0.020 – 0.050 |
| Produits de soins | mécanismes de rotation des rouges à lèvres | ± 0.030 – 0.080 |
| Automobile | Injecteurs de carburant et capteurs | ± 0.050 – 0.100 |
| Industriel | Engrenages et roulements à charge élevée | ± 0.080 – 0.125 |
| Emballage | Bouchons de bouteille étanches | ± 0.100 – 0.150 |
| Tech consommateur | Étuis de téléphone et coques d'ordinateur portable | ± 0.125 – 0.200 |
| Jouets | blocs de construction et figurines articulées | ± 0.10 – 0.5 |
| Articles ménagers | Bacs de rangement et paniers à linge | ± 0.5 mm ou plus |
Pourquoi Tight n'est pas toujours mieux
Il existe une idée fausse courante concernant le tolérancement. Elle consiste à dire : « En exigeant les tolérances de moulage par injection les plus strictes, nous pouvons garantir d’excellents résultats de production. »
C'est l'inverse. Ne spécifiez pas une tolérance plus stricte que la dilatation ou la contraction thermique de la résine. Sinon, la pièce deviendra non conforme à chaque changement de température.
La tolérance optimale est conçue pour une liberté mécanique maximale. Sa géométrie intuitive permet une large plage de dilatation et de contraction, tout en garantissant des performances optimales et une fiabilité à toute épreuve, quelles que soient les conditions d'utilisation.
Types de tolérances de moulage par injection
Tolérances dimensionnelles
La tolérance dimensionnelle est la variation acceptable sur la longueur, la largeur et le diamètre d'une pièce qui permet tout de même un fonctionnement sans faille.
Le dimensionnement et le tolérancement géométriques permettent aux fabricants de contrôler la déformation, l'alignement et la circularité des pièces destinées à s'insérer et à fonctionner dans des espaces 3D.
Le plastique ne se dilate ni ne se contracte de manière uniforme, c'est pourquoi les concepteurs et les ingénieurs attribuent des tolérances différentes aux pièces selon les axes X, Y et Z à l'aide de simulations d'écoulement de moule.
Les tolérances dimensionnelles comprennent les tolérances commerciales et fines régies par les normes ISO 20457 et DIN 12020-2 [1].
Dans les deux cas, la tolérance admissible augmente à mesure que la dimension nominale de la pièce augmente.
| Groupe de tolérance dimensionnelle | Plages de tolérance (mm) | Exemples d'applications |
| TG3 | 0.03- 0.15 | Microélectronique, aérospatiale |
| TG4 | 0.04 – 0.20 | Médical, aérospatial, électronique de pointe |
| TG6 | 0.07- 0.57 | Articles ménagers, biens de consommation, emballages, garnitures automobiles |
| TG9 | 0.50 – 1.50 | Industrie lourde, construction |
Les tolérances dimensionnelles commerciales courantes dans les applications de biens de consommation ont une norme ou une plage de plus ou moins 0.07 à 0.57 mm. Cette plage se situe dans la norme TG6.
Dans les tolérances dimensionnelles fines requises dans les assemblages mécaniques complexes où les pièces doivent s'enclencher, la plage se situe entre 0.03 et 0.20 mm (TG4).
Tolérances de rectitude et de planéité
Les tolérances de rectitude et de planéité déterminent la forme extérieure des pièces.
Avec l'expérience, on sait que le retrait différentiel est inévitable en moulage par injection plastique . La surface extérieure de la pièce refroidit souvent plus vite que le noyau, et ce dernier, en refroidissant, exerce une traction sur la surface, provoquant des irrégularités de planéité.
Une planéité constante est indispensable à l'étanchéité du joint afin d'éviter les fuites et de garantir un assemblage fiable. Il est donc nécessaire de respecter des tolérances de rectitude et de planéité précises.
Les plages de rectitude et de planéité admissibles sont régies par la longueur de la pièce comme détaillé dans les normes ISO 1101 et ISO 20457 [2].
La tolérance en matière de rectitude et de planéité augmente avec la longueur de la surface.
| Groupe de tolérance de planéité/rectiligne | Plage de tolérance (mm) | Exemples d'applications |
|---|---|---|
| TG3 | ± 0.05 – 0.10 | Aéronautique, médical |
| TG4 | ± 0.20 – 0.40 | Automobile, électronique |
| TG5 | ± 0.50 – 1.00 | Emballages de jouets et de biens de consommation |
Tolérances relatives au diamètre et à la profondeur des trous
Ces tolérances contrôlent la taille et la profondeur des trous dans une pièce moulée et régissent la manière dont la pièce interagit avec les fixations, les broches et les canaux de fluide.
Les tolérances de diamètre et de profondeur varient entre ± 0.03 et 0.1 mm, en fonction de la taille nominale de la pièce.
Ces dimensions sont également régies par la norme ISO 20457, mais elles sont plus difficiles à maintenir en raison de la façon dont le plastique s'écoule autour d'une broche centrale.
En cas de fluctuations de température, les lignes de soudure forment un aplatissement. Le plastique doit bien se souder pour que le trou reste dans les limites de tolérance.
Tolérances de concentricité et d'ovalité
Lors de la fabrication d'un tuyau à parois intérieure et extérieure, il est essentiel que l'épaisseur de ces parois soit parfaitement uniforme. C'est ce qu'on appelle la concentricité, et ces tolérances permettent de minimiser les écarts.
L'ovalité évalue la circularité de la pièce. Par exemple, si un bouchon de bouteille en plastique est trop ovale, il ne s'emboîtera pas correctement. Les tolérances d'ovalité visent à améliorer l'uniformité du rayon en évitant les irrégularités lors du refroidissement.
| Type de tolérance | Groupe de tolérance (ISO 20457) | Tolérance typique | Exemples d'applications |
| Circularité (Ovalité) | TG4 | ± 0.03 mm | Roues à grande vitesse ou pales de turbine. |
| TG6 | ± 0.15 mm | Un bouchon de bouteille en plastique ou un raccord de tube standard | |
| Concentricité | TG4 | ± 0.05 mm | Seringues médicales à double injection ou ensembles d'engrenages. |
| TG6 | ± 0.20 mm | Compartiments à piles ou simples corps de stylo. |
Tolérances et cumuls de tolérances
Il est peut-être plus facile d'atteindre et de maintenir les tolérances individuelles de moulage par injection. Mais le véritable défi commence lorsque plusieurs pièces sont assemblées.
De petites tolérances peuvent s'accumuler et engendrer de grandes erreurs inacceptables. C'est ce qu'on appelle l'accumulation des tolérances. C'est l'une des principales causes de défaillance des produits.
La solution ? Réaliser une analyse rigoureuse des tolérances cumulées, en prenant en compte le pire des cas ou les statistiques, avant l’outillage. Ces analyses de scénarios révèlent les tolérances optimales pour chaque pièce afin d’éviter les défaillances liées à l’accumulation des tolérances.
Les normes ASME Y14.5 et ISO 1101 [3] exigent que les tolérances d'empilement tiennent compte des variations dimensionnelles et géométriques (forme/position).
Facteurs affectant les tolérances de moulage par injection
| Facteur | Comment cela affecte la tolérance | |
| Conception de pièces | Epaisseur de paroi | Des parois uniformes permettent d'obtenir des tolérances stables. |
| Angles de dépouille | Les angles de dépouille importants éliminent le risque de déformation de la surface des pièces lors de l'éjection. | |
| Complexité des pièces | Les pièces complexes sont plus difficiles à tolérer en raison des zones mortes. | |
| Choix des matériaux | Cristallin vs. amorphe | Il est plus difficile de maintenir la tolérance avec les plastiques cristallins (comme le nylon) car ils rétrécissent beaucoup plus que les plastiques amorphes (comme l'ABS). |
| Taux de retrait des plastiques cristallins (%) | PEEK 1.2 – 1.5 POM (Acétal) 1.8 – 3.5 PA 66 (Nylon 6/6) 0.7 – 3.0 PP 1.0 – 3.0 PEHD 1.5 – 4.0 | |
| Taux de retrait des plastiques amorphes (%) | PC 0.5 – 0.8 ABS 0.4 – 1.6 PMMA 0.1 – 1.0 PS 0.1 – 0.8 PVC 0.1 – 0.6 | |
| Warpage | Différentes zones d'une pièce se contractent à des vitesses différentes. | |
| Dilatation thermique | Les matières plastiques se dilatent et se contractent lorsque la température de traitement ou de fonctionnement fluctue, ce qui modifie de fait les tolérances. | |
| Considérations d'outillage | Qualité de l'outillage | Un outil de classe 101 offre une meilleure stabilité thermique. |
| Précision de l'outillage | Les moules doivent être usinés avec des tolérances plus strictes que les pièces elles-mêmes. | |
| Incohérences des lignes de séparation | Un léger décalage peut se produire à la jonction des deux moitiés du moule. | |
| Contrôle de processus | Maintien des paramètres d'injection | Distinguer la pression de tassement de la pression de remplissage afin de minimiser l'étirement. Maintenir une température de fusion et une température de refroidissement stables pour une homogénéité dimensionnelle. |
| Interaction entre plusieurs composants et tolérances | Si vous avez deux pièces ou plus qui s'emboîtent, les tolérances individuelles se multiplient. |
Remarques importantes:
1. Utilisez une épaisseur de paroi uniforme. Si une face de votre pièce mesure 3 mm et l'autre 5 mm, le résultat en termes de tolérance sera défavorable.
2. Utilisez un angle de dépouille de 1 à 3 degrés (en fonction de la finition de surface) pour obtenir des surfaces de pièces sans joint.
3. Après l'éjection, il est impératif d'attendre 24 heures avant de mesurer la tolérance de la pièce. Le plastique se rétracte ou se déforme sous l'effet des contraintes subies lors du moulage.
4. Utilisez une conception « acier sûr » pour un tolérancement précis. Prévoyez un peu de métal en excès dans les cavités du moule. Si la pièce est trop petite, vous pourrez meuler l'excédent.
5. Dans tout assemblage donné, vous souhaitez que toutes les pièces soient fabriquées à partir des mêmes groupes de matériaux afin qu'elles se dilatent et se contractent au même rythme.
6. Pour le surmoulage ou le moulage par insertion, utilisez des tolérances extrêmement serrées pour la première pièce afin que la seconde pièce ne présente pas de bavures.
Normes et règles internationales de tolérance
ISO 20457: 2018
La norme ISO 20457:2018 est la norme de tolérance la plus récente, qui a remplacé les normes DIN 16901 et DIN 16742.
La norme ISO 20457:2018 regroupe la précision de production en groupes de tolérance.
Les groupes de tolérance de la norme ISO 20457:2018 qui s'appliquent spécifiquement au moulage par injection comprennent :
- TG1 à TG3 pour pièces de très haute précision
- TG4 pour pièces de haute précision
- TG5 est la norme de référence pour les applications de précision.
- TG6 (pour les pièces grossières) où des tolérances larges sont acceptables
- TG7 à TG9 (pour les pièces très grossières) où le taux de retrait est élevé ou imprévisible
Pour plus de détails, reportez-vous à nos tableaux initiaux dans « Types de tolérances de moulage par injection ».
DIN 16901
La norme DIN 16901 n'est plus en vigueur. Elle demeure néanmoins une norme allemande de référence, axée sur les tolérances générales. Cette norme propose une méthode simple pour classer les matériaux dans des catégories de tolérance spécifiques, appelées séries.
La série 3 est destinée aux applications de tolérance ultra-précises, la série 2 aux applications de précision, et la série 1 aux tolérances commerciales standard. Cette norme utilise ensuite une seconde ventilation qui fournit les écarts numériques admissibles réels en mm et les plages nominales [4].
| Plage nominale (mm) (des dimensions des pièces) | Type A (± mm) | Type B (± mm) |
| 0 – 1 | 0.18 | 0.08 |
| 1 – 3 | 0.19 | 0.09 |
| 3 – 6 | 0.20 | 0.10 |
| 30 – 40 | 0.30 | 0.20 |
| 90 – 120 | 0.51 | 0.41 |
| 315 – 400 | 1.30 | 1.20 |
Les écarts de type B s'appliquent aux pièces situées dans la moitié du bloc d'acier, tandis que les écarts de type A s'appliquent aux pièces mobiles dans le moule.
ISO 8062
La norme ISO 8062-1:2007 définit les termes à utiliser pour le tolérancement, et plus particulièrement les spécifications géométriques des produits en matière de planéité et de circularité des pièces.
La norme ISO 8062-3:2007 répertorie les tolérances dimensionnelles (DCTG) et géométriques (GCT) nécessaires pour les pièces moulées.
Selon cette norme, les tolérances de moulage par injection varient de DCTG 4 à DCTG 8 pour une précision standard.
Les tolérances de haute précision pour les composants critiques varient de DCTG 1 à DCTG 3. Ces valeurs sont influencées par les taux de retrait propres à chaque matériau.
Méthodes et outils de mesure des tolérances
Les tolérances de moulage par injection sont mesurées à l'aide de machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) et de comparateurs optiques.
Une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) utilise une sonde pour cartographier la surface de la pièce en 3D avec une précision submicronique.
Ces méthodes peuvent également être combinées à des systèmes de vision automatisés. Ces derniers photographient les pièces dès leur sortie du moule et transmettent les images à des solutions d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle qui vérifient et valident instantanément les dimensions.
Meilleures pratiques pour obtenir des tolérances de moulage par injection serrées
Conception pour la manufacturabilité (DFM)
Intégrez l'analyse des tolérances dès les premières étapes de la conception. Une discussion de 20 minutes sur les tolérances lors de l'étude de fabricabilité (DFM) peut vous éviter des modifications de pièces ultérieures coûteuses.
L'objectif principal du DFM en matière de tolérancement est de trouver la meilleure tolérance, c'est-à-dire une pièce aussi lâche que possible pour une production rapide et économique, tout en étant aussi serrée que possible pour un ajustement et des performances fiables.
Lors de la conception pour la fabrication (DFM), cela se fait en :
- Optimisation de l'uniformité de l'épaisseur des parois
- Choisir des résines offrant une meilleure stabilité dimensionnelle
- Utilisation de positionnements de point d'entrée et de ligne de séparation minimisant les lignes de soudure et assurant un remplissage uniforme de la cavité
- Assouplissement des tolérances standard pour les dimensions non critiques
EzraMade
Conception pour le moulage par injection : un guide pratique de la DFM
Comprendre l'environnement
Lors du réglage des tolérances, tenez compte des conditions d'utilisation de la pièce. Le plastique ayant un coefficient de dilatation thermique élevé, une pièce parfaitement assemblée dans un laboratoire à 16 °C (60 °F) peut se révéler défectueuse dans un entrepôt à 43 °C (110 °F).
- Toujours appliquer le coefficient de dilatation thermique du matériau à l'empilement des tolérances.
- Surdimensionnez le moule si vous utilisez des résines qui absorbent l'humidité, comme le nylon.
- Simuler et anticiper comment les UV, les produits chimiques et les agents de nettoyage peuvent affecter la rectitude dimensionnelle, la planéité ou la circularité de la pièce.
Analyse de flux de moule
Cette étape précède la découpe de l'acier. L'analyse du flux de moulage utilise un logiciel qui permet de visualiser le remplissage du moule par le plastique et d'identifier les risques de lignes de soudure, de déformations ou d'autres problèmes.
Utilisez l'analyse du flux de moulage pour ajuster les tolérances dans le monde virtuel avant même de dépenser un seul centime pour de l'acier réel :
- Changer l'emplacement de la porte
- Ajuster l'emplacement du canal de refroidissement
- dimensions de la cavité du moule à interrupteur
- Ajoutez des aérations aux endroits où l'air semble être comprimé.
Automatisation
L'utilisation de la robotique élimine les erreurs humaines, garantissant ainsi l'identité de chaque cycle. Ceci assure une constance extrême, essentielle pour les secteurs critiques exigeant des tolérances serrées comme le médical et l'aérospatiale.
La robotique peut être utilisée dans le contrôle de processus en boucle fermée pour ajuster automatiquement la pression et la température en fonction des tolérances définies. Elle peut également faciliter l'enlèvement de pièces de précision et l'inspection visuelle intégrée.
Maintenance planifiée et contrôles de qualité
Un entretien régulier du moule et de la machine permet d'éviter les dérives de tolérance. Nettoyez manuellement la cavité du moule et éliminez les résidus de résine des évents afin de prévenir toute accumulation de pression résiduelle.
Remplacez régulièrement les joints et les joints toriques pour éviter les chutes de pression et les pics thermiques, qui sont néfastes pour la régularité dimensionnelle.
Contrôlez régulièrement l'absence de corrosion au niveau des points d'injection et des lignes de joint. De même, vérifiez que les thermocouples de la machine reflètent correctement la température afin d'éviter les variations de viscosité.
Conclusion
Le tolérancement ne se limite pas à prévenir les écarts dimensionnels. La meilleure tolérance n'est pas forcément la plus stricte. Et cette valeur ne se résume pas à un simple chiffre dans un fichier CAO. Elle garantit deux choses presque toujours contradictoires : une fabrication aisée et des performances optimales. Elle s'acquiert de haute lutte en veillant à ce que la conception, la métallurgie, la science des matériaux et la physique des procédés restent parfaitement cohérentes au cours de chaque cycle.
Questions fréquentes
La tolérance la plus serrée pouvant être obtenue en moulage par injection est généralement d'environ ±0.01 mm (0.0004 pouces) dans des conditions de fabrication très contrôlées.
La conception du coffre-fort en acier maximise l'utilisation du métal et réduit celle du plastique. S'il est facile d'enlever du métal de la cavité du moule, il est difficile d'en ajouter. C'est pourquoi la cavité du moule est intentionnellement légèrement plus petite, de sorte que la pièce moulée soit légèrement plus grande. Les ingénieurs peuvent ensuite retirer progressivement de l'acier du moule pour atteindre les dimensions finales souhaitées.
Le plastique se rétracte. La pièce finit par relâcher la contrainte ou la pression qui lui a été appliquée lors du moulage, ce qui se traduit par un retrait ou une déformation après moulage. C'est pourquoi les ingénieurs doivent toujours attendre 24 à 48 heures après le moulage avant de mesurer les tolérances afin d'éviter les faux positifs.
Sources:
- SCRIBD : Aperçu des tolérances DIN ISO 20457 TG6
- ISO/DIS 20457(en) : Pièces moulées en plastique — Tolérances et conditions d'acceptation
- CMM Trimestriel : Principales différences entre les normes GD&T ASME et ISO
- Maisons de moules : Tolérances plastiques DIN.16901-130
