Maquette pédagogique PL

 

Introduction

 

A l’heure actuelle, l’injection est le procédé le plus utilisé pour produire des pièces plastiques en grandes séries. C’est un procédé très libre qui permet beaucoup de complexité et de fantaisie de forme à la pièce. Pour rendre cela possible, le moule peut être équipé de cales montantes, ou encore tiroirs par exemple. Mais le fonctionnement de ces composants peut parfois être mal compris des élèves.

C’est pourquoi nous avons choisi de réaliser une maquette pédagogique réaliste d’un outillage d’injection. Notre kit comprend plusieurs problématiques ; balancement dans le moule, mono/multi empreinte, tiroir et cale montante. Ces maquettes seront utilisées par des élèves en plasturgie lors de travaux pratiques pour aborder de manière plus concrète la construction des moules et voir ce qu'il se passe dedans.

 

Etapes préliminaires

 

Premières réflexions sur le sujet

Au vu du sujet, les premières questions que nous avons pu nous poser étaient :

  • quelles fonctions de moules allons-nous représenter ?
  • quelle serait la taille judicieuse pour un telle maquette ?
  • devons-nous représenter toutes les fonctions sur une grande maquette ou devons-nous privilégier une maquette avec des parties amovibles ?

et cela sans compter les contraintes des matériaux et les débuts idées qui commençaient à apparaitre. 

Ainsi, pour éviter toute dispersion dans notre raisonnement, nous avons rassemblé toutes les idées principales que nous nous faisions du sujet. En partant des éléments extérieurs au produit et de ses fonctions à remplir nous avons constitué la base (en jaune) de la mindmap suivante.

Figure 1 - Mindmap de la maquette pédagogique PL

Pour rappel, un moule d'injection est généralement constitué de deux parties : 

- la partie fixe dans laquelle se trouve la buse d'injection moule par laquelle arrivera la matière plastique ;
- la partie mobile dans laquelle se trouve une batterie d'éjection, qui permettra après moulage de la pièce plastique entre les deux parties du moule puis ouverture du moule, de faire tomber la pièce restée fixé à la partie mobile.

Nous avons commencé par les deux branches de droite, c'est à dire les fonctions et éléments qui peuvent constituer un moule. Nous y avons fait apparaitre bon nombre de fonctions que nous avons abordés soit dans les cours de plasturgie de 2e année, soit dans ceux de 3e année, même si toutes ne seront pas exploitées pour la maquette.

Pour la branche centrale nous avons anticipé quelques fonctionnalités et contraintes dû à sa manipulation et à son stockage. Elles nous serviront de cette trame pour développer d'avantage ces aspects dans le cahier des charges que nous ferons du produit.

Nous avons fait figurer sur les branches "matériau" et "caractéristiques", des plastiques qui seraient compatibles avec son procédé de fabrication et répondraient à quelques contraintes liées au confort d'utilisation de la maquette. Nous avons fait le choix de mettre les caractéristiques en tant que branche sœur (et non fille) de matériau car ces caractéristiques peuvent être impactées par la conception du moule et ne sont donc pas intrinsèques au choix matière.

En prenant cette mindmap pour base nous avons élaboré le cahier des charges que devrait remplir la maquette pédagogique.

Analyse fonctionnelle

En réalisant la mindmap, nous avions déjà pris en compte l’environnement dans lequel évoluerait la maquette, les contraintes d’utilisation et d’éventuelles limites d’utilisation. Ainsi nous avions déjà préparé le terrain pour l’analyse fonctionnelle qui suit.

 

Analyse du besoin

Cette analyse permet d’évaluer la nécessiter de la conception du produit ou non. En voici le détail :

Dans quel but le système existe-t-il ?

Pour faciliter la compréhension du procédé d’injection recentré sur le fonctionnement du moule

 

Contrôle validité de ces besoins

Pourquoi le système existe-t-il ?

  • Parce que certains mécanismes nécessitent une démonstration, une visualisation en phase de fonctionnement
  • Parce que ça a vocation de pédagogie dans l’enseignement de la plasturgie
  • Parce qu’il n’y a pas toujours le matériel nécessaire en salle de cours pour projeter une vidéo ou une animation
  • Parce qu’il n’existe rien d’équivalent pour le domaine de la Plasturgie

Pour quoi ce besoin existe-t-il ?

  • Pour clarifier l’explication de certains mécanismes dans un moule d’injection
  • Pour poser ses explications sur une mécanisme tangible
  • Pour compléter le catalogue de maquette pédagogique existante

Qu’est ce qui peut le faire évoluer ?

  • Changement dans le procédé
  • Adaptation à des mécanisme exotique/particulier
  • Changement du moyen de production de la maquette
  • Changement de la forme de la maquette (3D ou lieu de stratoconception)

Qu’est ce qui pourrait le faire disparaitre ?

  • Disparition du procédé d’injection
  • Disparition du besoin de la maquette tangible (nouveau support, Réalité virtuelle…)

Dans sa forme actuelle, le besoin est-il validé : OUI NON

Pourquoi ?

Il existe un réel besoin de la mise en forme du concept de procédé d’injection pour en visualiser les mécanismes caractéristiques.

 

Analyse du produit

Une fois le besoin de conception de cette maquette validé, il nous faut rédiger le cahier des charges auquel devra se plier notre produit pour répondre en tout point à ce qui est attendu pour son utilisation.


FP1

Permettre la compréhension des mécanismes de fonctionnement d’un outillage d’injection en autonomie

FP 2

Permettre au manipulateur expert en plasturgie d’expliciter les mécanismes de fonctionnement d’un outillage d’injection à un des spectateurs (connaisseur ou non)

FC 1 

Présenter une manipulation sans risque pour l’Homme

FC 2

Résister aux contraintes mécaniques de manipulation de la maquette

FC 3

Être stable sur un support plan

FC 4

Ne pas glisser sur le support

FC 5

Ne pas se déformer sous la géométrie du support

FC 6

Ne pas éblouir l’Homme par reflet de l’éclairage

FC 7

Permettre à l’observateur d’avoir une visibilité sur tous les éléments de la maquette

FC 8

Résister aux agressions extérieure

FC 9

Être lisible et compréhensible pour toute personne quelque soit son niveau de connaissance dans le domaine

FC 10

Résister aux agressions chimiques

FC 11

Résister aux agressions internes à la maquette

FC12

Être de dimension optimisée pour l’espace de stockage à disposition

 

Vers la CAO

Etude de l’art

Avant de passer à une quelconque simulation ou autre dessin de principe, nous sommes allés chercher l’inspiration en réalisant une étude de l’art. Nous nous sommes documentés sur le format et le design des maquettes pédagogique existantes, sans nous limiter à un thème pédagogique particulier mais en recentrant tout de même nos recherches sur des maquettes fabriquées avec un procédé proche de celui de la découpe laser.

Finalement, les sources étaient peu nombreuses et les maquettes ne ressemblait que très vaguement à ce que nous avions déjà en tête. De ce fait nous avons commencé à mettre nos idées à plat en ayant aucune base de référence. Nous allions concevoir cette maquette de A à Z !

 

Dessin de principe

En reprenant les quelques ébauches d’idées que nous avions pu avoir lors de la conception de la mindmap et en rédigeant le cahier des charges, nous avons réfléchi au format de la maquette. Nous avons opté pour une maquette dont des parties seraient amovibles et permettraient ainsi de pouvoir adapter les différentes fonctionnalités de la maquette à une seule et même base. Ce qui permettrait d’une part des économies d'argent et un gain de temps d'usinage par réduction de pièces à fabriquer, d’une autre part une réduction de l'espace de stockage car la maquette est de ce fait plus compact, mais qui d'un point de vue conception nous promet un certain temps de recherche. Après moultes partages d'idées et de croquis nous commençons à avoir une idée générale de ce à quoi notre maquette ressemblera. En voici le dessin de principe, qui expose les formes générales des pièces, leurs proportions, leur assemblage, etc… Finalement tout ce qui nous permettra de réaliser notre première CAO (Conception Assistée par Ordinateur).

Figure 2 - Dessin de principe des premières idées de conception de la maquette pédagogique

 

Modélisation numérique

Première CAO

Conscient que la maquette devra être facilement lisible et devra respecter quelques règles métiers, nous avons fait le choix d'utiliser également le code couleur utilisé lors de nos cours. Cela apportera cohérence et continuité à notre enseignement de la plasturgie.

Voici quelques exemples :

  • Règles métier

- Partie fixe à droite
- Partie Mobile à gauche
- Direction de démoulage principale (course d'ouverture du moule) horizontale

  • Code couleur

- orange : moulée
- Vert : batterie d'éjection
- Jaune : tiroir moulant

En prenant en compte ces différents éléments nous avons joué sur la construction de notre maquette en stratoconception. En effet, grâce à cette méthode nous pourrons créer une maquette en volume par "simple" empilement de différentes plaques. Pour cela nous nous sommes renseignés auprès du fournisseur de plaques  coulées pour les différents colories et épaisseurs. Jouant avec ces informations, voici un avant-goût CAO de ce que nous avons pu concevoir. 

             

Figure 3 - Module d'un moule d'injection à double empreintes (à gauche) et à cale montante (à droite)

A ce point encore peu avancé de la conception, notre modèle met déjà en couleurs quelques faiblesses. En effet son design n’est pas poussé et donc ressemble trop à une maquette de type « collège », donc peu représentatif de la réalité notamment au niveau des proportions entre partie fixe et mobile. De plus la conception est trop orientée interchangeabilité, ce qui nous limite dans nos libertés pour le moment. D’autre part il faudrait trouver un moyen de fixation et de translation entre la plaque support et les parties fixe et mobile.

 

Deuxième CAO

Nous avons alors revu les dimensions globales de la maquette. Les pièces se sont vues élargies pour mieux représenter la différence plateau de presse / moule, la partie mobile a gardé sa longueur, mais celle de la partie fixe a été diminuée de moitié. La modification a été aisée en partie mobile grâce à la conception en utilisant la fonction pièce mère-fille de CREO, cependant il a fallu refaire toute la partie fixe et les inserts. Nous avons souhaité garder l’interchangeabilité des inserts, ils ont donc été redimensionnés pour satisfaire cette condition, ainsi que la plaque porte-inserts de la partie mobile.

Un travail sur les premiers embryons de batteries d’éjection a été réalisé, les carottes ont également été dessinées, avec deux modèles, carotte directe pour le mono empreinte et carotte à canaux pour la disposition bi-empreintes.

Le tiroir a aussi été mis à l'étude et dessiné pour voir avec quelle configuration il a le plus de chance de réaliser le mouvement de translation sans mouvement parasitaires. Ce mouvement de translation sera effectué par un doigt de démoulage appartenant à la partie fixe. Le problème restant est le glissement du tiroir à proprement parler. Deux solutions sont en débat :

  • Une modification châssis avec l’ajout d’un "L" pour permettre le glissement du tiroir au bon niveau (manque de réalisme)
  • L’ajout d’une rainure en "T" et y faire glisser le tiroir (plus réaliste)

             

Figure 4 - Versions du tiroir en "L" (à gauche) et avec rainure en "T" (à droite)

Mais après remise en question de notre moyen de fabrication, c’est-à-dire la découpe et gravure laser, nous ne pouvons pas réaliser la seconde option car cela impliquerait de graver un côté de la pièce, puis de la graver à nouveau de l'autre coté. La bonne réalisation de cette seconde passe du laser implique de pouvoir réaliser une mise en position parfaite de la pièce par rapport au point de départ de notre laser. Ce qui ne nous est pas possible. Ainsi par élimination, nous avons modélisé la seule solution techniquement réalisable.

 

Notre deuxième CAO s’est alors chargée de régler les problèmes de proportions, on peut désormais distinguer partie fixe et partie mobile uniquement en regardant les pièces. Les colonnes seront ajoutées par gravures sur le socle. De même pour la séparation plateau/moule qui sera effectuée par un trait de gravure. 

Ayant une idée plus précise de ce qui était attendu de notre part, nous avons pu rajouter des pièces comme un tiroir, une cale montante et des carottes d’alimentation.

            

Pour cette maquette, les retours sont globalement bons, les attentes ont été comprises. Il a été proposé de faire les améliorations suivantes :

  • ajouter les colonnes de guidage
  • affiner le choix des couleurs pour éviter les superpositions néfastes à la lecture de la maquette
  • faire apparaître plus clairement l’arrivée de matière dans le moule
  • ajouter si possible un maximum de détails à l’aide de la gravure (aspect “coupe schématique”) 

 

CAO Finale

Notre troisième et dernière CAO a alors tenté de répondre à ces dernières problématiques. Les colonnes de guidage ont été ajoutées sur la plaque support des parties fixe et mobile, les couleurs s’approchent au maximum des couleurs “Code couleur Cecchet”, et l’arrivée de la matière et symbolisée par la forme de la buse de la presse. Les gravures sont difficiles à mettre en place sur les pièces en CAO. Voici des aperçus de notre modélisation qui peuvent vous donner quelques ordres de grandeur pour la partie qui va suivre.

Figure 5 - Plans des assemblages de la partie mobile (en haut) et fixe (en bas)

Le concept général

Pour cette CAO finale, nous avons essayé de maximiser l’interchangeabilité des pièces tout en limitant la complexité de réalisation des plaques et minimisant le nombre de pièces afin de réduire les coûts matière. Pour cela, nous avons conçu les pièces les plus génériques possibles. Le résultat est là, ce sont en tout 54 pièces CAO pour 73 pièces réelles à découper et un total après collage de 26 pièces finales dont 5 qui sont utilisées sur au moins 2 modules.

Nous avons décomposé notre maquette en plusieurs modules afin que l’étudiant se centre sur une problématique à la fois.

  • Un kit d’étude “Balancement”, avec lequel l’étudiant va découvrir les notions de carotte, de noyau et de retrait (8 pièces)
  • Un kit d’étude “Du mono au multi empreinte.s”, à l’aide duquel la batterie d’éjection et les différents types d’éjecteurs seront abordés, ainsi que les modifications liées à la multiplication des empreintes (14 pièces)
  • Un kit “Cale montante-éjecteur moulant”, pour découvrir les contre-dépouilles et une manière de les réaliser (8 pièces)
  • Un kit “Tiroir”, qui explicite le fonctionnement d’un tiroir, et donc une autre manière de réaliser des contres dépouilles de pièces (8 pièces).

 

Kit balancement

Lors de la manipulation, il sera demandé à l’étudiant de réaliser les deux configurations, l’une après l’autre grâce aux inserts interchangeables. L’étudiant sera alors interrogé sur le phénomène qui maintient la pièce sur le noyau - après avoir essayé les deux configurations - ainsi que les différences entre les deux pièces, notamment au niveau de l’alimentation. Il lui sera ensuite demandé de réfléchir aux conséquences du placement du noyau sur l’extraction de la pièce. Ce qui l’amène sur le kit suivant.

            

Figure 6 - Modules d'un moule d'injection avec balancement de la moulée 

 

Kit du mono au multi empreinte.s

Après avoir compris que la position la plus favorable pour la batterie d’éjection se trouve, dans 90% des cas, dans la partie mobile, l’étudiant se trouve confronté à la mise en place de cette batterie d’éjection. Le but est de lui inculquer au fur et à mesure le rôle des différents éjecteurs, et les différences entre mono et multi-empreinte.s. En premier lieu il sera demandé à l’étudiant de mettre la batterie d’éjection en fin de course et de refermer la partie mobile pour comprendre le rôle des éjecteurs de sécurité. Ensuite il lui sera demandé de lister les différences entre les deux batteries d’éjections, ainsi que le système d’alimentation. Le but est de montrer qu’une alimentation directe pour du multi-empreintes nécessite des aménagements spécifiques de la partie fixe. Enfin, on demandera d’étudier le rôle de l’éjecteur arrache-carotte, et comment il réalise sa fonction d’extraction de la moulée.           

            

Figure 7 - Modules d'un moule d'injection en mono empreinte (à gauche) et multi-empreintes (à droite)

 

Kit cale montante - éjecteur moulant

Ce kit initiera l’étudiant à la notion de contre-dépouille dans une pièce et une manière de réaliser les contre-dépouilles internes. Il faudra lui faire prendre conscience que la partie moulante de la contre-dépouille doit se situer de préférence dans la partie mobile pour ne pas arracher la pièce. Également, le sens de cette cale montante importe, au risque de retrouver la pièce coincée sur la partie moulante. La maquette permettra aussi au professeur d’aborder le sujet des directions de démoulages auxiliaires avec les cales montantes déformable ou non en leur base, notions qui n’est pas représentée dans cette maquette à proprement dit en raison de la matière choisie. Enfin, l’étudiant pourra se rendre compte que partie fixe et partie mobile travaillent en symbiose et se complètent. Cela donne aussi un avant-goût des possibilités qu’offrent les outillages d’injection.

Figure 8 - Modules d'un moule d'injection avec cale montante 

 

Kit tiroir

L’étudiant se verra ici confronté à une autre méthode d’obtention des contre-dépouilles cette fois-ci externes à la pièce, comme des trous débouchants parallèles à la direction de démoulage principale par exemple. Ce module permettra de visualiser les déplacements du tiroir par rapport au doigt de démoulage, car c’est un mouvement assez difficile à se représenter. Ainsi la maquette, tangible, aidera à cette compréhension. Par la même occasion, il pourra leur être demandé de calculer la course d’un tiroir en fonction de l’angle du doigt de démoulage et d'un possible retard à l’ouverture (représenté dans cette maquette, mais n'est pas systématique dans la réalité). Ces calculs pourront alors être vérifiés par la mesure.

Figure 9 - Modules d'un moule d'injection avec tiroir

 

Les limites de nos connaissances logiciels

Héritage de cotes

Après avoir commencé à réaliser les pièces CAO, nous nous sommes vite confrontés à la pénibilité de réaliser les nombreuses pièces. En effet leurs formes sont complémentaires, elles sont construites comme en négatif les unes par rapport aux autres et s’emboitent parfaitement. Ainsi la maîtrise de quelques techniques aurait pu réduire notre charge de travail.

Bien entendu nous connaissons l’existence des « squelettes » sur CREO Parametric, qui permettent de créer des limites virtuelles dans un bloc solide et de le fractionner en plusieurs sous solides. Cependant la technique n’est pas du tout maitrisée. Nous n’avons fait qu’un TP en 2e année sur ce sujet, donc nous savions que cette technique existait mais étions incapables de l’adapter à notre problème.

Une technique bien utile aurait également été l’outil de parentalité entre les pièces de CAO, il nous suffit de réaliser un pièce mère, neutre, sans aucune fonction particulière et de créer à notre guise des pièces filles qui hériterent de ses cotes de référence. Donc si nous avons une modification à apporter, par exemple changer les proportions globales de la maquette comme ça a été le cas entre notre première et deuxième version de la maquette, la simple modification de 3 pièces permaitrait d’adapter toutes les autres. Or cette fonctionnalité est quelque peu nouvelle pour nous, et donc mal maitrisée. Nous avons donc dû refaire toute une partie de la CAO entre la première et la deuxième version, mais aussi tous les autres ajustements de pièces au niveau du plan de joint du moule, pièce après pièce.

 

Gravure

Une autre limite de nos connaissances en modélisation qui est arrivé que bien plus avec la réalisation de gravures. En soit l’idée n’est pas bien compliquée, on réalise un dessin que l’on extrude dans la pièce. Mais la difficulté est que « dessiner » des formes libres sur CREO n’est chose pas aisée et on a préféré passer sur un logiciel que nous connaissions, et plus adapté pour cette fonction. Ainsi nous avons réalisé nos dessins vectoriels sur Adobe Illustrator pour ensuite les importer sous format dxf vers CREO. Pour cela nous avons suivit étape par étape les tutos que nous avons pu trouver à ce sujet, mais tout ne s’est pas passé comme prévu. Au lieu de nous faire un dessin "plein" qui nous aurait permis de graver des surfaces, seuls les contours sont apparus. De ce fait les pièces CAO présentent quelques singularités en périphérie qui n’existeraient pas si l’importation avait été un succès. La mise en plan et la coloration spécifique au logiciel de gravure laser en sera d’autant plus longue qu’on devra la reprendre sur Illustrator pour enlever tous ces défauts.

Figure 10 - Dessin vectoriel sur Adobe Illustrator (à gauche) et son importation sur CREO Parametric (à droite) avec zoom sur les singularités (parties extrudées qui sortent de la pièce bleue) dues à l'exportation 

Perspectives d'amélioration

Les dernières remarques effectuées sur notre projet se situent sur la partie éjection. En effet, une version démontable et assemblable par l’étudiant est souhaitée par les formateurs. De plus, les éjecteurs de sécurité ne sont pas représentatifs de la réalité, leur position est trop proche du bord de la plaque d’éjection. L'aspect un peu trop “monobloc” des batteries d'éjection pose aussi problème, mais ceci peut être ajusté grâce à des gravures comme sur les autres pièces. Cela devrait rapidement évoluer pour que le projet puisse être repris directement en phase de test et prototypage et enfin quitter le statut numérique.

Un autre point qui nécessite une nouvelle étude est la conception des inserts. Ceux-ci sont généralement doubles (c’est-à-dire de 6 mm d’épaisseur) en partie mobile mais simples en partie fixe, sauf pour le kit tiroir. Il nous a alors fallu créer une autre pièce avec des ailettes plus courtes pour permettre à cet assemblage d’être réalisé. Cependant, cette pièce faisant parti d’un ensemble collé de 5 pièces, cela veut dire qu’il faut produire toutes ces pièces en un nouvel exemplaire. Le problème qui se pose (en partie fixe également) est le maintien des inserts simples (3 mm d’épaisseur) si l'ailette n’appuie pas dessus. Mais la difficulté d’extraire les inserts doubles si nous gardons ces ailettes et en retirant les “oreilles” de l’insert supérieur. Une solution économique et simple à ce problème serait de basculer sur la pièce “ailettes courtes” et rajouter deux “oreilles” à l’insert inférieur pour combler le vide.

            

Figure 11 - Assemblage à 1 "oreille" et 1 ailette  (à gauche) ainsi qu'assemblage à 2 "oreilles"  et sans ailette (à droite)

 

Conclusion

A cette année exceptionnelle, projet exceptionnel. En effet ce projet “Du concept au Prototype” n’aura pas été complet et manque de toute une partie test et expérimentation du modèle réel. 

Néanmoins, nous avons pu découvrir le monde du télétravail avant de rentrer dans la vie active. Ne pas avoir à le découvrir plus tard et de connaître des outils pour s’adapter à ce genre de situation peut s’avérer être un vrai plus. Nous avons utilisé le site web WIMI qui permet de faire de la gestion de projet de manière très précise, en assignant des personnes à différentes parties du projet, et possède également son propre diagramme de Gantt. Malheureusement, nous n’avons pu utiliser qu’une infime partie de ses capacités, l’organisation en cette période de COVID étant plutôt complexe. Cependant, nous avons essayé de garder autant que possible les horaires des séances, pour garder un rythme de travail régulier. 

Hélas, le travail à distance possède ses limites. Certaines idées se véhiculent assez mal, une téléréunion n'a pas le même effet qu’une vraie rencontre où les idées se partagent plus facilement. Bien sûr des outils sont mis à notre disposition, nous avons eu la chance de tous les deux disposer d'une tablette graphique. Cela nous a permis d'échanger en direct des petits schémas de principe par exemple. Mais tout est plus long, la compréhension des idées, leur expression. Il faut totalement réapprendre à dessiner.

La première limite que l’on peut formuler concerne les tolérances. En effet nous n’avons pas pu faire de mesures sur la plaque test que nous avions gravée pour apprécier la précision de la découpeuse laser. Tout notre modèle CAO est donc en côtes nominales et ne tient peu, voir pas compte des ajustements d’une pièce à l’autre. 

Nous avions également remarqué un léger fluage dans l’épaisseur des plaques qui n'apparaît donc pas sur le modèle. C’est une donnée peu négligeable étant donné que lors du collage de certaines pièces avec d’autres, la hauteur laissée ne serait plus suffisante pour laisser passer une pièce. Celle-ci ne pourrait plus passer si l’épaisseur d’une plaque à l’autre fluctue de manière trop importante. 

Nous aurions aimé reproduire des phénomènes réels par un jeu de côtes, comme le serrage d'une pièce sur un noyau, et également avec le frottement des pièces.

Enfin, un sentiment de tristesse s'empare de nous sachant que nous ne serons peut-être pas chargés de la réalisation pratique de ce projet, qui était tout de même la partie la plus attirante et satisfaisante de ce projet.

 

 

Crédits : Tom TROTOBAS & Zoé ZIMMER

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