Moulage par injection de polyuréthanes thermoplastiques (TPU) chez Mythentec

Les polyuréthanes thermoplastiques appartiennent à la grande famille des élastomères thermoplastiques. Le TPU est donc un TPE, mais il présente, au sein de ce groupe, un profil de propriétés qui lui est propre. Ce matériau est composé de segments souples élastiques et de segments rigides plus fermes.

Contrairement aux élastomères réticulés chimiquement, le TPU devient plastiquement déformable à température élevée. Ce matériau peut donc être mis en œuvre sur des presses à injection classiques et se solidifie à nouveau lors du refroidissement. Ce processus réversible permet une fabrication économique de pièces moulées complexes avec des temps de cycle courts à moyens.

Parmi les propriétés caractéristiques des types de TPU adaptés, on peut citer notamment une grande résistance à l'abrasion, une bonne résistance à la déchirure et une élasticité de retour à la forme initiale très marquée. De nombreux types présentent en outre une grande résistance aux chocs, de bonnes propriétés d'amortissement et une bonne souplesse à basse température.

Les propriétés concrètes dépendent toujours du type de TPU choisi. Les informations relatives à la résistance aux fluides, à la stabilité aux UV, à la résistance thermique ou à la biocompatibilité ne peuvent donc pas être généralisées à l'ensemble de cette catégorie de matériaux. Pour choisir le matériau approprié, il convient de prendre pleinement en compte les conditions d'utilisation futures et les exigences fonctionnelles du composant.

Comparaison entre le polyester-TPU et le polyéther-TPU

Une caractéristique distinctive essentielle réside dans la composition chimique des segments souples. Dans les applications techniques, on utilise notamment des types de TPU à base de polyester et de polyéther.

Le polyester-TPU se caractérise généralement par une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à l'abrasion et une résistance relativement bonne aux huiles minérales et à de nombreuses graisses techniques. Ces types de matériaux conviennent donc souvent aux pièces moulées soumises à des contraintes mécaniques et tribologiques. En cas de contact prolongé avec l'humidité, l'eau chaude ou des environnements contaminés par des micro-organismes, leur adéquation doit toutefois être vérifiée avec soin.

Le polyéther-TPU présente généralement des avantages en termes de résistance à l'hydrolyse, de résistance aux micro-organismes et de souplesse à basse température. Il peut donc convenir aux composants exposés à l'humidité, à des variations de température ou à des températures de fonctionnement basses. Là encore, les types de matériaux disponibles se distinguent par leur dureté, leur résistance mécanique et leur résistance chimique.

Outre la distinction entre les TPU polyester et polyéther, on distingue également les types aromatiques et aliphatiques. Les TPU aromatiques couvrent une grande partie des applications techniques standard. Pour les composants transparents, clairs ou exposés en permanence aux UV, des types aliphatiques spéciaux peuvent s'avérer nécessaires, car les TPU aromatiques classiques ont tendance à se décolorer sous l'effet de la lumière et des UV.

Une humidité résiduelle trop élevée peut entraîner la dégradation des chaînes polymères pendant la plastification. Cela peut se traduire par l'apparition de stries, de bulles, de surfaces mates, une fluidité irrégulière et une diminution des propriétés mécaniques.

Avant la mise en œuvre, un séchage préalable effectué dans les règles de l'art est donc généralement nécessaire. La température et la durée de séchage dépendent du type de matériau concerné et des recommandations du fabricant. Le stockage et la mise à disposition du matériau entre le séchage et la mise en œuvre doivent également être organisés de manière à éviter toute nouvelle absorption d'humidité.

Le TPU est par ailleurs sensible aux contraintes thermiques inutilement élevées. La température de la masse, le temps de séjour et la vitesse de rotation de la vis doivent être adaptés au matériau et au volume d'injection. Un temps de séjour trop long ou une contrainte de cisaillement excessive peut entraîner une dégradation du matériau, des décolorations ou une altération des propriétés des pièces. Il convient d'en tenir compte tout particulièrement lorsque les masses d'injection sont faibles par rapport à la capacité du groupe de plastification.

Le comportement à l'écoulement et à la solidification diffère également entre les types de TPU souples et rigides. Les formulations souples peuvent être plus facilement étirées ou déformées lors du démoulage et nécessitent, selon leur géométrie, des temps de refroidissement plus longs. Les variantes plus rigides imposent quant à elles d'autres exigences en matière de contrôle de la température, de voies d'écoulement et de transfert de pression.

Le TPU peut être moulé par injection aussi bien en monocomposant qu’en bicomposant. Le moulage par injection bicomposant permet, par exemple, d’associer directement des zones fonctionnelles souples à un corps de base thermoplastique rigide. Les fonctions typiques sont l’étanchéité, l’amortissement, l’adhérence, la protection ou l’isolation vibratoire.

Les propriétés élastiques du TPU offrent de nombreuses possibilités de conception, mais nécessitent une conception adaptée à ce matériau. L'épaisseur des parois, les transitions, les nervures, les ouvertures et les sens de démoulage influencent non seulement le remplissage du moule, mais aussi la déformation, le retrait et le comportement de la pièce lors du démoulage.

Des épaisseurs de paroi aussi régulières que possible favorisent un refroidissement homogène et réduisent le risque d'affaissements, d'inclusions d'air et de contraintes internes. Il convient d'éviter les variations importantes d'épaisseur de paroi ou de les atténuer par des transitions progressives. Les rayons aux bords intérieurs et extérieurs améliorent l'écoulement du matériau et réduisent les pics de contrainte locaux en cas de sollicitation mécanique ultérieure.

Les angles de dépouille sont particulièrement importants pour le TPU. Bien que les pièces souples puissent s'étirer dans une certaine mesure lors du démoulage, cette élasticité ne doit pas être considérée comme un substitut à une conception adaptée au démoulage. Des angles de dépouille trop faibles peuvent entraîner une sollicitation excessive de l'éjecteur, des dommages à la surface ou une déformation permanente. Les surfaces structurées ou grainées nécessitent généralement des angles de démoulage plus importants que les surfaces lisses.

Les nervures, les lèvres d'étanchéité, les zones d'encliquetage et les charnières à film doivent être adaptées à la dureté du TPU utilisé. Les éléments très fins ou délicats peuvent imposer des exigences élevées en matière de fluidité, de dégazage et de précision de l'outillage. Pour les zones élastiques soumises à des contraintes permanentes, il convient en outre de tenir compte du comportement au fluage, de la relaxation des contraintes et de l'éventuelle déformation rémanente sous pression.

Dans le cas des composants « dur-souple », l'interface entre le TPU et le plastique de support doit être prise en compte dès la phase de conception. Le choix de la conception appropriée dépend du type d'assemblage : principalement par adhérence chimique, par emboîtement ou par une combinaison des deux principes. Dans le cadre d'un développement adapté aux plastiques, Mythentec apporte son soutien pour harmoniser les matériaux, la géométrie et les procédés de fabrication.

La conception du moule est adaptée à la fluidité, à la dureté et à la sensibilité au démoulage du type de TPU choisi. L'injection, la purge, la régulation de température et le système d'éjection revêtent une importance particulière.

La position de la ligne de coupe influe sur le trajet d'écoulement, les joints de soudure, la pression requise et l'orientation du matériau. Les lignes de coupe et les canaux de distribution doivent être suffisamment dimensionnés et conçus de manière à favoriser l'écoulement, afin d'éviter un cisaillement excessif et des pertes de charge inutiles. Il convient également de tenir compte de l'endroit où la ligne de coupe sera sectionnée après le démoulage, ainsi que des exigences esthétiques ou fonctionnelles applicables à cette zone.

Une ventilation efficace du moule favorise le remplissage complet du moule et réduit le risque de brûlures, de défauts d'écoulement visibles ou de détails mal formés. Il convient de prévoir des zones de ventilation notamment aux extrémités des longs chemins d'écoulement, au niveau des lignes de joint et dans les zones fonctionnelles à parois minces.

Selon le type de matériau et la surface du moule, le TPU permet d'obtenir des surfaces de pièces aussi bien lisses et brillantes que mates, texturées ou antidérapantes. L'aspect final de la surface n'est pas uniquement déterminé par la structure du moule. La dureté du matériau, la pigmentation, la température du moule, le comportement à l'écoulement et les conditions de démoulage influencent également le résultat visible.

Les surfaces structurées peuvent améliorer le toucher, réduire les reflets ou rendre les petites traces d'usure moins visibles. Lors de la conception, il faut toutefois tenir compte du fait que les rainures profondes compliquent le démoulage et peuvent nécessiter des angles de dépouille plus importants.

Le TPU peut être teinté dans de nombreuses nuances. Les lots de colorants et les additifs doivent être compatibles avec le matériau de base et les conditions d'utilisation prévues. Pour les pièces claires, transparentes ou à couleur stable, il convient d'accorder une attention particulière à l'exposition aux UV, à la composition du matériau et aux éventuelles altérations de couleur pouvant survenir pendant la transformation.

Une impression, un marquage, un revêtement ou un collage a posteriori sont possibles, en fonction du matériau et du procédé utilisé. L'énergie de surface relativement faible de certains types de TPU peut toutefois nécessiter un prétraitement ou l'utilisation de systèmes d'encre et de colle spécialement adaptés. Il convient donc de vérifier l'adéquation de ces procédés dans des conditions de production en série réalistes.

En fonction du projet, Mythentec prend en charge, outre le moulage par injection, les étapes de fabrication en aval ainsi que la transformation des composants en plastique. Cela peut notamment inclure l'assemblage, les contrôles, le marquage ou le regroupement en sous-ensembles.