La tendance à la miniaturisation accroît la demande de composants, repoussant les limites de la technique de fabrication. Le micro-moulage par injection est d’ores et déjà utilisé dans de nombreux secteurs. L’utilisation de la silicone leur confère davantage de fonctionnalité.
On a du mal à le voir à l’œil nu, mais le microscope nous le dévoile : même un composant en plastique de quelques millimètres seulement peut présenter une structure complexe, des renfoncements précis ou des contre-dépouilles. Si cela nous semble tout à fait ordinaire pour les grands composants, il est difficile de s’imaginer que de si petites pièces puissent être fabriquées dans une machine de moulage par injection, et en silicone de surcroît.
Toutefois, la tendance à la miniaturisation pousse la technique de fabrication de composants à ses limites. En effet, il ne s’agit pas seulement de la taille globale du composant, mais aussi des mini-structures qu’il renferme. Pour les fabricants, cela signifie qu’ils doivent modifier les structures miniatures situées dans les noyaux ou les coquilles et traiter des volumes d’injection d’une taille inférieure à un grain, sans parler de la géométrie de moins d’un centième de millimètre, qui ne fait plus exception.
Il existe bien sûr une base sur laquelle repose le micro-moulage par injection. On fabrique déjà en grandes séries des composants à surfaces micro-structurées, des pièces de précision de quelques micromètres et des pièces pesant moins d’un milligramme à l’aide de la technique du moulage par injection. Cependant, ces pièces sont généralement en thermoplastique. L’utilisation de la silicone impose quant à elle quelques contraintes, car elle réagit différemment au micro-moulage par injection. Néanmoins, pour Dominik Kreuzmayr, chargé du développement commercial du micro-moulage par injection pour la société autrichienne Starlim Sterner, le moulage par injection de la silicone est une « niche dans la niche » et un marché d’avenir.
Cette entreprise implantée à Marchtrenk s’est spécialisée dans le micro-moulage par injection de silicone. Aujourd’hui, ses produits sont principalement utilisés en médecine, par exemple pour les pompes à insuline et les appareils auditifs, mais la micromécanique, l’industrie automobile, les télécommunications et la technologie d’analyse sont également demandeurs de ces pièces miniaturisées. Pesant environ 0,0026 g, le plus petit composant fabriqué l’entreprise pour le domaine médical est près de huit fois plus léger qu’un grain de riz. « Je crois qu’on pourrait même le miniaturiser davantage », estime Dominik Kreuzmayr.
Pour les experts, c’est dans le domaine de la fabrication d’outils que les micro-pièces représentent le plus grand défi : la fabrication de pièces miniatures requiert des outils spéciaux respectant les très faibles marges de tolérance des spécifications clients. « L’outil doit être ultra-précis et parfaitement stable, surtout avec la silicone, associée à des bavures plus importantes et à un surmoulage plus rapide que le thermoplastique. » En outre, les outils doivent être manipulés avec beaucoup de précautions, car ils sont fragiles et peuvent se casser ou se tordre, si une tige n’est pas saisie correctement par exemple.
L’entreprise fabrique ses outils de haute précision pour le micro-moulage par injection dans ses ateliers. C’est pourquoi cela n’a encore jamais été fait. Le micro-moulage par injection requiert une harmonisation de tous les processus bien plus précise que le moulage par injection standard : « ce qui compte, ce n’est pas seulement l’outil, mais aussi la machine de moulage par injection, qui doit fonctionner de manière stable, et mélanger et injecter le matériau avec une précision reproductible », précise Dominik Kreuzmayr. Cela vaut aussi bien pour le moulage par injection de silicone et le moulage par injection à 2 composants que pour le mélange d’additifs, par exemple, pour doter un composant médical de propriétés antistatiques. Les experts en développement voient également une tendance d’avenir dans les applications 2K en silicone et thermoplastique, qui regroupent plusieurs fonctions et donc, correspondent particulièrement bien à l’idée de miniaturisation. Le choix du matériau est donc quasi-illimité. « En principe, nous pouvons traiter toutes les silicones liquides de 20 à 80 Shore-A, de la plus souple à la plus rigide », ajoute Dominik Kreuzmayr. Il en va de même pour le thermoplastique, sauf qu’il faut veiller à utiliser un thermoplastique thermiquement stable. En effet, l’outil en silicone atteint 160 à 200 °C en fonctionnement et mettrait donc en fusion une pièce thermoplastique qui ne serait pas thermiquement stable.
Pour fabriquer ses micro-pièces moulées par injection, Starlim Sterner emploie des machines de moulage par injection spéciales qui sont non seulement plus compactes, mais disposent également de pistons plus petits, de courses plus courtes, d’un dispositif de dosage plus petit et d’un entraînement électrique plus précis. « La particularité du micro-moulage par injection, c’est que l’on ne peut pas miniaturiser le processus standard », explique Dominik Kreuzmayr, contrant ainsi les idées reçues de nombreux clients. « Il faut tout revoir, tous les processus doivent être harmonisés encore plus précisément. » Les étapes suivantes, notamment le démoulage, le contrôle et le conditionnement, requièrent une manipulation spéciale. La plupart du temps, les machines sont équipées d’un robot, ce qui explique que les micro-pièces sont souvent plus chères que les pièces de série standard.
Pourtant, les fabricants de micro-pièces moulées par injection subissent une pression sur les prix. Certes, il est possible d’économiser sur le matériau et l’énergie, mais ne serait-ce que de par les composants spéciaux et les outils de haute précision qu’elles utilisent, les machines de micro-moulage par injection sont souvent plus coûteuses que les machines 90T standard. Les machines sur paillasse offrent une solution alternative. Ainsi, la société Christmann Kunstofftechnik GmbH a recours à des outils significativement plus petits, et donc bien moins chers, pour sa série Babyplast. Cela permet de réduire considérablement les coûts d’investissement dans les machines, déclare Marc Tesche, le gérant. L’utilisateur peut donc exploiter sans problème un plus grand nombre de machines simultanément, dès lors que les volumes à fabriquer augmentent. Les machines du fabricant de Kierspe sont adaptées à de petites charges d’injection et consomment nettement moins d’énergie.
Le thème de l’efficacité énergétique figure également parmi les priorités du fabricant de machines de moulage par injection Engel Austia GmbH de Schwertberg, qui propose le procédé X-Melt pour fabriquer des micro-pièces et des pièces à parois minces de précision. Ainsi, la matière en fusion s’écoule dans les canaux chauffants après ouverture des obturateurs à aiguille sous l’effet d’une explosion dans les cavités. Résultat : des petites pièces ou des pièces à parois extrêmement fines moulées avec précision, pesant entre 0,1 et 20 g. Comme le plastique en fusion agit comme un accumulateur d’énergie, cette forme de moulage par injection à grande vitesse ne consomme que peu d’énergie.
Le plasturgiste suisse Scholz-HTIK GmbH & Co. KG, de Kronau, est également spécialisé dans la fabrication de petites pièces pour dispositifs médicaux particulièrement filigranes. L’entreprise se concentre sur le moulage et le micro-moulage par injection de précision et a renforcé ses investissements dans le développement et la production de micro-implants ces dernières années. Le micro-moulage par injection représente en effet un procédé de fabrication prometteur à plus d’un titre. Il a ainsi permis de développer un implant d’oreille moyenne doté de huit articulations pour un composant ne pesant que 20 mg, et donc de reproduire la biomécanique de l’oreille saine.
Selon le Dr Marc Hofstetter, responsable des dispositifs médicaux chez Scholz-HTIK, le moulage par injection d’implants présente entre autres l’avantage de pouvoir réaliser une structure de surface dès le façonnement. Les structures de quelques micromètres peuvent être moulées avec une haute reproductibilité. Adaptés au tissu cible, les implants sont mieux tolérés par l’organisme, tandis que la fonctionnalité et la résistance s’améliorent significativement. Si la fabrication et le conditionnement en salle blanche protègent les produits des contaminations biologiques, la pureté de l’environnement évite également les problèmes au cours du processus de production, car la moindre petite particule microscopique pourrait entraîner une panne.
En tant que responsable des dispositifs médicaux, le Dr Hoffstetter est également chargé du déroulement de la production. À ce titre, il a opté pour le système de salle blanche conforme aux BPF Clean-Stericell de l’entreprise Schilling Engineering GmbH de Wutöschingen : « l’ensemble du processus de microtechnique doit être parfaitement harmonisé. Pour la production d’implants médicaux, une tolérance zéro défaut et une hygiène irréprochable sont indispensables ». Le système de salle blanche offre un environnement de production d’une pureté constante et fonctionne entièrement sans perturbation, ce qui permet à l’entreprise de se concentrer sur son cœur de métier, à savoir le micro-moulage par injection.
À l’Institut für Mikrosystemtechnik Imtek de l’université Albert Ludwig de Fribourg, le processus de micro-moulage par injection est également devenu une compétence clé. Les scientifiques apprécient non seulement le très faible poids des pièces, les durées de cycle et la grande précision, mais aussi le haut niveau d’automatisation du procédé de fabrication. Pour les applications sur site, la société Wittmann Battenfeld GmbH de Kottingbrunn propose une machine à microsystème 50. L’installation entièrement électrique réalise toutes les étapes importantes du processus de fabrication de micro-pièces complexes. Il est même possible de produire des pièces de moins de 0,001 g en série. Grâce à la conception modulaire de la machine de moulage par injection, il est possible de traiter une vaste gamme de matériaux. Différentes versions du procédé, notamment l’équilibre dynamique de la température dans la cavité, l’évacuation de la cavité, le moulage par injection du montage, le surmoulage et le moulage par injection multi-composants sont notamment possibles. Les cavités et les alvéoles sont créées et fabriquées à l’université, qui développe et fabrique des outils complets en collaboration avec des entreprises régionales.
Naturellement, Wittmann Battenfeld est également prêt à suivre la tendance à l’utilisation de la silicone liquide dans le domaine des pièces miniatures : la série Micropower peut être mise à niveau en remplaçant rapidement le thermoplastique par une unité d’injection LSR.
Susanne Schwab susanne.schwab@konradin.de
Informations complémentaires À propos de Starlim Sterner : www.starlim-sterner.com À propos de Scholz-HTIK : www.scholz-htik.de À propos de l’Institut Imtek : www.imtek.de À propos de Wittmann Battenfeld : www.wittmann-group.com
Fabrication de pièces miniatures huit fois plus légères qu’un grain de riz.
Mots-clés
- Miniaturisation et mobilité
- Exigences particulières concernant la fabrication d’outils
- Consommation de matériaux réduite
- Avantage : efficacité énergétique
- Tendance en matière de moulage par injection de silicone
Petit, tout petit, miniature
Trois pièces de puzzle d’à peine 1 mm sont assemblées dans ce qui est probablement le plus petit puzzle au monde. C’est à l’Institut für Technologie (KIT) de Karlsruhe que des chercheurs l’ont fabriqué selon le procédé Liga2.X, qui permet de créer des moulages micro-structurés grâce à la source de rayonnement synchroton ANKA. D’après eux, le procédé LIGA (lithographie, galvanoplastie et moulage) permet de créer des microstructures composées de divers métaux, céramiques ou plastiques. Die Abkürzung steht für Lithografie, Galvanik und Abformung.
L’objectif est de produire en masse et à un coût abordable des microcomposants en plastique ayant un volume inférieur à 0,5 mm³. Pour le micro-façonnage de pièces de cette taille, il fallait jusqu’à présent une plaque de substrat qui liait les composants les uns aux autres pour qu’ils puissent se détacher du moule. Grâce à Liga2.X, cette couche est superflue, ce qui permet de fabriquer les composants directement et à l’unité, par micro-façonnage. Pour ce faire, divers outils doivent être utilisés : trois plaques pour détacher chaque pièce du moule et quatre moules LIGA interchangeables pouvant être intégrés dans une plaque porte-outil.
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