La Soupe aux Noix de Matrices et Moules

Décrire l'industrie des matrices et des moules comme vaste ou étendue, c'est comme appeler un couteau suisse un tournevis de fantaisie. Matrices d'emboutissage progressives, outillage de presse plieuse, moules de soufflage, moules de coulée sous pression et matrices de forgeage - ce ne sont là que quelques-uns des produits usinés qu'une personne pourrait apprendre à construire en obtenant son certificat d'outil et de matrice à l'institution technique professionnelle locale (que plus de jeunes devraient poursuivre), un endroit qui aide à faire tourner les roues de la civilisation.

Malgré le titre de cet article, il est loin d'être une plongée complète dans la fabrication d'outils. Cela nécessiterait plusieurs centaines de pages et la contribution de dizaines d'experts de l'industrie. Cependant, il fournira un aperçu de la technologie d'usinage derrière les formes tridimensionnelles complexes trouvées dans les moules d'injection plastique ainsi que des conseils sur le logiciel nécessaire pour concevoir, simuler et optimiser ces assemblages sophistiqués.

De plus, une grande partie de ce qui est décrit ici s'applique également à d'autres applications de fabrication d'outils, telles que les matrices d'estampage utilisées pour former des panneaux de carrosserie automobile ou les moules pour l'emballage thermoformé qui a gardé votre dîner à emporter au chaud sur le chemin du retour la nuit dernière. Il en va de même pour les outils de coupe, les machines CNC et les logiciels de FAO utilisés pour produire ces surfaces très précises, souvent de forme libre, qui sont toutes aussi nécessaires pour produire les composants que l'on trouve dans des industries telles que l'aérospatiale et le médical. La question devient alors : Qu'y a-t-il de si spécial dans le travail des matrices et des moules ?

Sean Shafer, responsable de segment pour le marché des matrices et moules de Makino Inc., a quelques idées. Le constructeur de machines de Mason, dans l'Ohio, est bien connu pour sa présence dans cette industrie, et Shafer, ainsi que le directeur du marketing produit Dave Ward, font partie de l'entreprise depuis plus longtemps que de nombreux lecteurs n'ont leur permis de conduire. Les vétérans de l'industrie ont énuméré plusieurs différenciateurs clés entre ce type d'usinage et d'autres, à commencer par la complexité.

"Il y a eu beaucoup d'écrits récemment sur Tesla et Giga Press du groupe Idra, mais ce n'est que la pointe de l'iceberg", a déclaré Shafer. "L'industrie automobile dans son ensemble a compris l'intérêt de combiner plusieurs composants structurels en un seul moulage sous pression. Cela réduit le temps d'installation, réduit le poids et ajoute de la rigidité structurelle au véhicule."

Pourtant, comme l'a souligné Ward, la production de ces pièces nécessite des moules plus grands et plus profonds que par le passé, un travail pour lequel les centres d'usinage traditionnels à trois axes sont moins productifs. « Vous devez pouvoir incliner la broche, afin d'obtenir l'angle d'attaque le plus efficace et d'atteindre ces caractéristiques profondes sans avoir à sortir l'outil trop loin. Cette approche améliore non seulement la durée de vie de l'outil et la finition de surface, mais augmente considérablement les taux d'enlèvement de métal.

Ils parlent de centres d'usinage CNC à cinq axes, une technologie qui change la façon dont les ateliers de toutes sortes fabriquent des pièces. Makino a récemment élargi son offre dans ce domaine avec deux machines, la V100S et la D2, toutes deux "construites à partir de zéro spécifiquement pour les grands composants de moules et de matrices". L'entreprise continue également d'offrir l'automatisation sous la forme de robots intégrés et de systèmes de changement de palettes. En riant, Ward a noté : "Nous visitons de nombreux magasins et il existe actuellement trois tendances principales : cinq axes, cinq axes et l'automatisation."

L'usinage sur une fraiseuse à trois axes signifie que la fraise est toujours orientée perpendiculairement à la pièce, a souligné Ward. C'est parfait pour le perçage, le surfaçage et d'autres opérations d'usinage courantes, mais avec les cavités de moule, qui sont généralement usinées à l'aide de fraises en bout à bout sphérique, la pointe de l'outil effectue souvent une grande partie de la coupe. Malheureusement, les vitesses de surface approchent de zéro à mesure que vous vous rapprochez de ce "point zéro", ce qui réduit considérablement les taux d'enlèvement de métal.

"Maintenant, si vous pouvez incliner cette fraise en bout à un angle comme avec une machine à cinq axes, vous coupez avec la périphérie de la boule", a déclaré Shafer. « Vous pourriez obtenir six flûtes efficaces au lieu d'une. Cela génère une bien meilleure action de cisaillement, et puisque vous pouvez écraser l'outil, vous éliminez les vibrations et pouvez alimenter de manière beaucoup plus agressive. Ce sont des avantages comme ceux-ci qui font des centres d'usinage à cinq axes la machine-outil préférée dans de nombreux ateliers de moules et de moules. C'est la seule solution, quelle que soit la taille du travail que vous effectuez.

Ironiquement, cinq axes commencent à réduire le besoin d'unités à bout sphérique. Ward et Shafer ont convenu que, lorsqu'ils ne discutaient pas de "cinq axes, cinq axes et de l'automatisation" avec leurs clients, ils répondaient à des questions sur la découpe de segments de cercle, alias fraisage en tonneau. Il en va de même pour Takuro "Tak" Sato, responsable des applications techniques pour l'équipe Die and Mold de Mitsubishi Materials USA (MMUS), Costa Mesa, Californie, un groupe qui représente la marque d'outils de coupe Moldino de l'entreprise.

Sato a répertorié une multitude de fraises cylindriques coniques indexables et en carbure monobloc, parmi lesquelles les GP1LB, GF2T, GF3L et GS4TN. Les applications suggérées incluent les matrices d'estampage, les moules de coulée sous pression et d'injection plastique, les blisks, les roues et les aubes de turbine, les moules utilisés dans la production de pneus et les moules dits de baignoire.

Tous font partie de la série d'outils à segments de cercle Gallea de la société et, comme toutes ces fraises, ont des cannelures qui contiennent un ou plusieurs segments d'arc rectifiés avec précision beaucoup plus grands que ceux d'une fraise en bout à billes de taille comparable. Cela permet des abaissements plus importants sur les parois de la cavité du moule et, dans le cas des fraises tonneau de type "lentille", des incréments plus importants sur les planchers de la cavité. Le résultat est une finition plus rapide (jusqu'à 70 % dans certains cas) et des finitions de surface plus lisses que ce qui est possible avec les fraises à bout hémisphérique.

Compte tenu de la grande variété de rayons, de formes, de tailles et de fabricants de broyeurs à barillets, en sélectionner un peut être un processus déroutant. Sato a expliqué qu'une grande partie de la variation provient de la diversité des applications de cette technologie d'usinage révolutionnaire. Comme indiqué précédemment, les fabricants de l'aérospatiale les utilisent pour couper les aubes de turbine et les roues, tandis que ceux qui fabriquent des implants orthopédiques usinent régulièrement des formes osseuses complexes.

Cependant, pratiquement toutes les surfaces de forme libre actuellement usinées avec une fraise hémisphérique sont probablement candidates au fraisage en tonneau conique. L'astuce consiste à trouver le bon outil, puis à générer le bon parcours d'outil. "C'est loin d'être une solution unique", a averti Sato. "Par exemple, nous avons réduit nos rayons par rapport à certains de nos concurrents pour répondre aux besoins des fabricants de moules. Un rayon plus petit réduit la pression de l'outil et le risque de broutage, c'est donc un meilleur choix pour les matériaux durs utilisés dans cette industrie."

Quel outil est le plus adapté à l'application dépend finalement du programmeur, a-t-il ajouté, une déclaration avec laquelle Jesse Trinque est d'accord. Ingénieur des ventes et des applications pour CNC Software LLC, basé à Tolland, dans le Connecticut, fabricant de Mastercam, il a beaucoup à dire sur la découpe de segments de cercle, à commencer par le fait que ce n'est pas pour tout le monde.

En ce qui concerne les moules à matricer, les fraises tonneau sont plus efficaces sur les surfaces sans grand changement de courbure par rapport à leur taille, a-t-il déclaré. "Donc, plus la surface est grande et la courbure petite, meilleur est l'ensemble d'applications que vous aurez. En d'autres termes, ils fonctionneront très bien sur un moule pour une puce Pringle, moins sur un avec des ondulations."

C'est particulièrement vrai si le Pringle est en fait une porte de voiture surdimensionnée. Trinque a souligné que ces grandes surfaces légèrement incurvées ont tendance à consommer le plus de temps d'usinage, ce qui confère aux fraises à segments de cercle un avantage distinct. Et pourtant, ils ne conviennent pas à tous les clients, a-t-il averti. Comme Sato l'a suggéré plus tôt, leur programmation nécessite l'outil, la machine et le logiciel de FAO appropriés, ainsi qu'une grande quantité de connaissances en usinage.

"Il est important que vous compreniez votre machine et comment elle se déplace, et que vous ayez vraiment une solide compréhension des techniques de programmation à cinq axes avant de franchir cette étape", a ajouté Trinque. "Vous ne voulez pas courir avant d'avoir appris à marcher. Les outils de segment de cercle ont certainement leur place, mais ils peuvent également conduire les gens sur la mauvaise voie très rapidement, les laissant frustrés et peu susceptibles de lui donner une seconde chance."

Apprendre à marcher s'applique aussi à la machinerie, quel que soit l'outil coupant utilisé. Interrogé sur la "compréhension de votre machine" et les techniques à cinq axes, Trinque a noté qu'un programme CNC peut sembler parfaitement correct à l'écran mais se comporter différemment sur les différents styles de centres d'usinage à cinq axes. Selon le fabricant, il s'agit de constructions tête-tête, table-tête et table-table, chacune ayant une cinématique distincte qui influence les performances et l'approche de programmation.

"Quoi que vous usiniez, il est essentiel que vous connaissiez les forces et les faiblesses de l'équipement et que vous vous en éloigniez autant que possible", a affirmé Trinque.

Tout programmeur CNC sait que Mastercam fait bien plus que générer des parcours d'outil de segments de cercle. Il en va de même pour les produits Fusion 360 et PowerMill d'Autodesk Inc., qui ont tous deux de solides adeptes dans le segment des moules et matrices (et autres).

Mais comme Hanno Van Raalte s'empresse de le souligner, le succès dans cette industrie va bien au-delà de l'utilisation de machines-outils, de fraises et de systèmes CAD/CAM de haute qualité. Elle dépend aussi de plus en plus d'un jumeau numérique. "De plus en plus, être capable de réagir rapidement aux changements tardifs devient d'une importance cruciale, et un jumeau numérique de la conception plastique, du moule et même du processus de moulage offre un énorme avantage", a-t-il déclaré.

Van Raalte est le chef de produit de Moldflow, un outil logiciel qu'Autodesk, basé à San Francisco, en Californie, décrit comme "la simulation d'injection plastique et de moulage par compression pour la conception et la fabrication". Avec lui, a-t-il noté, les fabricants d'outils peuvent simuler le processus de moulage de l'art à la pièce, et au-delà.

« Supposons que vous ayez conçu un boîtier pour une nouvelle gamme d'aspirateurs. Comment dire qu'il est moulable ? Les parois ont-elles la bonne épaisseur ? Existe-t-il des caractéristiques qui interfèrent avec l'éjection de la pièce ou entraînent un gauchissement ? Moldflow permet aux utilisateurs d'analyser ces règles de conception et de prendre des décisions intelligentes à l'avance, bien avant que le premier parcours d'outil ne soit généré ou que la première puce ne soit créée.

Mark Hennebicque, directeur commercial de la simulation chez Autodesk, a noté que la moulabilité n'est que le point de départ. En construisant un jumeau numérique au début du processus, les fabricants de moules peuvent effectuer des simulations FEA du flux de matière et des caractéristiques thermiques, puis utiliser ces informations pour optimiser la conception de l'outil. Ils peuvent ensuite installer le moule virtuel dans un jumeau de l'équipement de moulage et déterminer les meilleurs réglages pour les pressions d'injection et la température du matériau. Cela réduit le temps de cycle et donc le coût, tout en aidant à éliminer les problèmes courants tels que le flash, l'évier et la variabilité dimensionnelle.

Ce dernier problème est un problème commun à toute l'industrie, a déclaré Hennebicque. "Les fabricants de moules cherchent toujours à améliorer la précision et les coûts, mais comme ils doivent faire certaines hypothèses au cours du processus de conception, cela peut être difficile. En même temps, l'atelier de production ou, dans certains cas, un sous-traitant, peut prendre des décisions après coup qui auraient dû être prises en compte plus tôt."

Quoi qu'il en soit, la simulation avec un jumeau numérique offre une approche itérative et collaborative qui englobe l'ensemble du processus de conception et de fabrication. Il capture également toutes les données associées à ces processus. En cas de panne six mois plus tard et si l'atelier doit retravailler une cavité de moule ou produire un nouvel insert, il n'est pas nécessaire de réinventer la roue. "Tout ce dont ils ont besoin pour reproduire l'outil d'origine est contenu dans le jumeau", a-t-il conclu.

Van Raalte a accepté. « Dans de nombreuses industries, y compris la fabrication de moules, le jumeau numérique change la façon dont les entreprises font des affaires. Il leur permet de fabriquer de meilleurs produits. La confiance augmente, le risque diminue et chacun peut faire plus avec le temps dont il dispose. Pour cette raison, le jumeau devient rapidement un incontournable pour de nombreux fabricants.

David Hill de Hexagon Manufacturing Intelligence offre à peu près les mêmes conseils concernant les jumeaux numériques. Le directeur des opérations commerciales de l'entreprise au Canada, il vous dira que Hexagon, basé à North Kingstown, RI, offre des outils de conception et d'ingénierie concurrents, et encourage ceux de la fabrication de moules et d'autres industries à tirer parti de leurs immenses capacités. Mais pour cet article, Hill a évoqué un autre élément essentiel de la fabrication de moules et matrices : la métrologie.

"Je suis entièrement d'accord avec les déclarations faites précédemment concernant les récentes avancées en matière de simulation de produits et de FAO et d'analyse de moulage, mais du point de vue de la métrologie, l'une des technologies les plus importantes aujourd'hui est la capacité de mesurer où vous fabriquez", a-t-il déclaré.

De toute évidence, le sondage et la numérisation dans la machine éliminent les déplacements réguliers vers la salle d'inspection, améliorant ainsi les niveaux d'efficacité globale de l'équipement et réduisant la possibilité d'une pièce mise au rebut en raison d'erreurs d'usinage. Ces avantages sont importants pour tous les processus de fabrication, mais lorsque la pièce pèse des centaines, voire des milliers de livres, comme c'est le cas pour de nombreux moules et matrices de formage, sa validation dans la machine peut faire la différence entre le profit et la perte.

Les palpeurs montés sur broche ne sont pas nouveaux. Même le balayage laser et à lumière structurée est devenu de plus en plus courant dans les ateliers de production.

Ce qui est moins courant, c'est l'utilisation de ces technologies pour collecter rapidement des millions de points de données, puis utiliser ces données pour valider les simulations produites dans des logiciels comme celui proposé par Hexagon et d'autres. Cela permet aux outilleurs et aux ingénieurs de comparer les valeurs dimensionnelles en cours de processus au fichier CAO, d'analyser le retour élastique, de vérifier que les références principales se forment avec les meilleurs ajustements et de résoudre les problèmes, en éliminant les recoupes coûteuses et les non-conformités.

Mais qu'en est-il de la précision ? Tout machiniste digne de ce nom sait que les mesures critiques ne doivent jamais être effectuées sur un centre d'usinage CNC, quel que soit le logo apposé sur la tôle. Droite?

Peut-être que oui, mais comme l'a souligné Hill, les machines-outils haut de gamme d'aujourd'hui sont très précises pour de nombreuses fonctions de mesure, sans parler du fait que les lasers portables et les systèmes de lumière structurée (tels que le HP-L-10.10, le scanner laser AS1 et les systèmes de lumière structurée) peuvent approcher des niveaux de précision de 5 microns.

" Certes, la métrologie en machine et portable ne remplacera jamais vraiment la CMM [machine de mesure de coordonnées], mais beaucoup dans cette industrie constatent que ces technologies leur donnent un avantage concurrentiel ", a déclaré Hill. "Il se prête assez bien à la rétro-ingénierie, à l'inspection des composants, au réglage fin du processus d'usinage et à de nombreuses autres utilisations, qui peuvent toutes être effectuées rapidement et facilement sans déplacer la pièce. Le temps est critique dans la fabrication, et même si je déteste utiliser un cliché, ces solutions changent la donne."

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