Comment calculer la force de fermeture d'une machine de moulage par injection : le guide complet du tonnage avec 3 exemples concrets

Ce guide détaille le calcul de la force de serrage, les paramètres d'entrée (surface projetée, pression dans la cavité, coefficient de sécurité) et trois exemples concrets portant sur les emballages à parois minces, les garnitures intérieures automobiles et les grandes pièces industrielles. L'analyse s'appuie sur… SUCCESSEUR de la servomachine de la série SK Catalogue et expérience de terrain acquise grâce à plus de 200 visites d'usines.

Explication de la formule de la force de serrage

La formule standard pour Machine de moulage par injection la force de serrage est :

Force de serrage (tonnes) = Surface projetée (cm²) x Nombre de cavités x Pression dans les cavités (tonnes/cm²) x Coefficient de sécurité

Chaque terme de la formule est clairement défini. Le calcul prend moins de cinq minutes une fois toutes les valeurs connues. La difficulté réside dans la détermination des valeurs exactes de chaque terme, notamment la surface projetée et la pression dans la cavité.

Pourquoi la formule fonctionne

Lors de l'injection, le plastique fondu pénètre dans la cavité du moule sous haute pression. Cette pression écarte les deux moitiés du moule, et la force de fermeture de la machine doit compenser cette force d'écartement. Si cette force est insuffisante, les deux moitiés du moule se séparent légèrement, et les bavures qui en résultent (excédent de matière s'échappant de la cavité) produisent des pièces défectueuses.

La surface projetée correspond à la zone d'application de la pression dans les cavités. Le nombre de cavités multiplie cette surface. Le coefficient de sécurité tient compte des pics de pression et de l'usure de la machine, éléments non pris en compte par le calcul en régime permanent.

Que se passe-t-il si le calcul est erroné ?

Si le tonnage calculé est trop faible, le moule présente des bavures. S'il est trop élevé, la machine est surdimensionnée, ce qui augmente les coûts d'investissement et d'énergie. Un calcul précis permet d'obtenir un tonnage à 10 % près du besoin opérationnel réel.

Surface projetée : comment la mesurer correctement

La surface projetée correspond à la silhouette de la pièce vue dans la direction de la force de serrage. Pour la plupart des pièces moulées par injection, cette force est verticale et la surface projetée correspond à l'ombre portée de la pièce vue de dessus.

Éléments simples : Longueur x Largeur

Pour les pièces plates (emballages à parois fines, couvercles, bâches), la surface projetée est égale à la longueur multipliée par la largeur. Un couvercle de 100 mm x 100 mm a une surface projetée de 100 cm². Un récipient de 200 mm x 150 mm a une surface projetée de 300 cm².

Pièces 3D : Projeter et calculer la silhouette

Pour les pièces 3D, projetez-les sur un plan perpendiculaire à la direction de serrage et calculez l'aire de leur silhouette. La profondeur de la pièce n'entre pas en compte dans le calcul de l'aire projetée ; seule l'aire visible depuis la direction de serrage est pertinente.

Moules multi-cavités : Surface projetée x Nombre de cavités

Pour un moule à cavités multiples, la surface projetée est égale à la surface projetée d'une seule cavité multipliée par le nombre de cavités. Pour un moule à parois minces à 16 cavités, chaque cavité étant un récipient de 100 cm², la surface projetée totale est de 1 600 cm².

Erreurs courantes dans la zone projetée

Trois erreurs fréquentes entraînent des calculs incorrects. Premièrement, inclure le système d'alimentation dans la surface projetée. Deuxièmement, projeter la pièce dans la mauvaise direction. Troisièmement, négliger les contre-dépouilles et les éléments de déplacement latéral. Le concepteur du moule doit fournir la surface projetée, contre-dépouilles comprises, dans le cahier des charges.

Pression de cavité par type de matériau

La pression de cavité est la pression exercée à l'intérieur de la cavité pendant l'injection. Elle représente la force par unité de surface que la force de serrage doit compenser. La pression de cavité dépend de la viscosité du matériau, de la vitesse d'injection et de la géométrie de la pièce.

Pour les emballages à parois minces, la pression dans la cavité se situe dans la partie supérieure de la plage (0,45 à 0,50 tonnes/cm²) car la vitesse d'injection est élevée et la cavité doit se remplir avant que la matière fondue ne se solidifie.

Pourquoi une pression plus élevée pour les parois minces ?

Les pièces à parois minces ont une épaisseur généralement inférieure à 1,0 mm. Pour remplir la cavité avant que le polymère fondu ne se solidifie, la vitesse d'injection est élevée, ce qui entraîne une augmentation de la pression dans la cavité. La pression pour du PP à parois minces de 0,50 mm d'épaisseur peut atteindre 0,50 tonne/cm², contre 0,35 tonne/cm² pour le même PP d'une épaisseur de 2,0 mm.

C’est pourquoi les emballages à parois minces nécessitent des machines de tonnage supérieur à ce que la surface projetée seule pourrait laisser supposer. Un moule à parois minces à 16 cavités de 100 cm² chacune présente une surface projetée de 1 600 cm². À raison de 0,50 tonne/cm², le tonnage calculé est de 800 tonnes.

Étalonnage sur le terrain

Le tableau ci-dessus constitue le point de départ ; l’équipe d’ingénierie du fournisseur de la machine peut affiner l’estimation de la pression dans la cavité en fonction de la géométrie spécifique de la pièce et de la qualité du matériau.

Sélection du facteur de sécurité

Le coefficient de sécurité tient compte des pics de pression lors de l'injection, de l'usure de la machine au fil du temps et des variations de composition d'un lot à l'autre. Un coefficient de sécurité de 1,0 (absence de marge de sécurité) convient à une production très contrôlée ; un coefficient de sécurité de 1,3 convient à une production variable où les défauts d'injection ont des conséquences importantes.

Pour un calcul qui produit 500 tonnes avec un facteur de sécurité de 1,2, la sélection finale de la machine est de 600 tonnes ou la prochaine référence de tonnage disponible supérieure à 600 tonnes.

Pourquoi le facteur de sécurité est important

Sans marge de sécurité, le tonnage calculé correspond au minimum requis. En production, la pression réelle dans la cavité varie d'un cycle à l'autre en raison des variations de composition des lots de matériaux, des conditions environnementales et du temps de chauffe de la machine. Une surpression de 5 à 10 % est courante, et une surpression plus importante (15 à 20 %) peut survenir lors de perturbations du processus.

Le coefficient de sécurité absorbe ces pics de pression. Un coefficient de sécurité de 1,2 autorise un pic de pression de 17 % avant l'apparition de bavures dans le moule. Pour les pièces courantes, un coefficient de sécurité de 1,1 n'autorise qu'un pic de 9 %, ce qui est acceptable pour une production prévisible, mais insuffisant pour une production variable.

Exemple 1 : Moule d’emballage à parois minces à 16 cavités

Le premier exemple est un moule d'emballage à parois fines à 16 cavités produisant des pots de yaourt en polypropylène. Chaque pot mesure 95 mm de diamètre, 75 mm de hauteur et a une épaisseur de paroi de 0,50 mm. Le moule fonctionne par cycle de 6 secondes.

Paramètres d'entrée

• Surface projetée partielle : 71 cm² par cavité (un cercle de 95 mm de diamètre a une aire de pi x 4,75 au carré = 70,9 cm²)
• Nombre de caries : 16
• Pression de la cavité : 0,50 tonne/cm² (PP à paroi mince de 0,50 mm d'épaisseur)
• Facteur de sécurité: 1.3 (application renforcée par des fibres ou à parois minces)

Calcul

Force de serrage = 71 cm² x 16 cavités x 0,50 tonne/cm² x coefficient de sécurité de 1,3 = 738 tonnes

Le tonnage calculé est de 738 tonnes. La prochaine référence disponible dans la série SK est la machine de 780 tonnes, ce qui offre une marge de sécurité de 6 % par rapport à la valeur calculée.

Note du monde réel

Ce calcul aboutit à une machine de 780 tonnes pour un moule à parois minces à 16 cavités. Nombre d'acheteurs se baseraient par défaut sur le nombre de cavités pour opter pour une machine de 500 ou 600 tonnes pour un moule à 16 cavités. Le choix d'une machine de 780 tonnes, fondé sur ce calcul, garantit une production plus fiable et réduit les défauts d'ébavurage.

C’est dans le secteur de l’emballage à parois fines que les acheteurs sous-dimensionnent le plus souvent la machine. Une pression élevée dans les alvéoles, combinée à un grand nombre d’alvéoles, engendre des besoins en tonnage supérieurs à ce que le nombre d’alvéoles seul laisserait supposer.

Exemple 2 : Garniture intérieure automobile à 2 cavités

Le second exemple est un moule à deux cavités pour garnitures intérieures automobiles, produisant des garnitures de tableau de bord en PC/ABS. Chaque pièce mesure 450 mm x 280 mm, 80 mm de hauteur et a une épaisseur de paroi de 2,5 mm. Le moule fonctionne par cycle de 45 secondes.

Paramètres d'entrée

• Surface projetée partielle : 126 cm² par cavité (45 cm x 28 cm)
• Nombre de caries : 2
• Pression de la cavité : 0,45 tonnes/cm² (plastique technique PC/ABS)
• Facteur de sécurité: 1.2 (plastique technique, tolérance standard)

Calcul

Force de serrage = 126 cm² x 2 cavités x 0,45 tonnes/cm² x coefficient de sécurité de 1,2 = 136 tonnes

Le tonnage calculé est de 136 tonnes. La prochaine référence disponible dans la série SK est la machine de 140 ou 170 tonnes. L'acheteur choisit généralement la machine de 170 tonnes afin de bénéficier d'une marge de sécurité de 25 % par rapport à la valeur calculée, ce qui est approprié pour une pièce automobile de haute qualité où des défauts mineurs entraîneraient un refus du client.

Note du monde réel

Ce calcul montre qu'un moule à deux cavités pour garniture intérieure automobile peut être réalisé sur une presse de 170 tonnes, plus petite et moins coûteuse que les presses de 500 à 800 tonnes généralement utilisées dans ce secteur. Le moule à deux cavités ayant une surface projetée totale réduite (252 cm²), la force de production requise est modérée.

Pour les moules automobiles à forte porosité (4 à 8 cavités), le tonnage nécessaire augmente considérablement : 544 tonnes pour un moule à 4 cavités et 1 088 tonnes pour un moule à 8 cavités. Le nombre de cavités est le principal facteur influençant le tonnage nécessaire pour les pièces automobiles de moyenne et grande taille.

Exemple 3 : Palette industrielle à 1 cavité

Le troisième exemple est un moule industriel à une cavité produisant des palettes en PEHD pour la logistique d'entrepôt. La palette mesure 1 200 mm x 1 000 mm et 150 mm de hauteur, avec une épaisseur de paroi variable (de 5 à 12 mm) et des nervures internes. Le moule fonctionne par cycle de 90 secondes.

Paramètres d'entrée

• Surface projetée partielle : 1200 cm² par cavité (120 cm x 100 cm)
• Nombre de caries : 1
• Pression de la cavité : 0,40 tonnes/cm² (PEHD, viscosité moyenne)
• Facteur de sécurité: 1.1 (palette de marchandises, pression prévisible)

Calcul

Force de serrage = 1200 cm² x 1 cavité x 0,40 tonnes/cm² x 1,1 coefficient de sécurité = 528 tonnes

Le tonnage calculé est de 528 tonnes. La prochaine référence disponible dans la série SK est la machine de 560 ou 680 tonnes. L'acheteur choisit généralement la machine de 680 tonnes afin de bénéficier d'une marge de sécurité de 29 % par rapport à la valeur calculée, ce qui est approprié pour une pièce industrielle de grande taille où la pression dans la cavité peut varier sur toute la surface projetée.

Note du monde réel

Ce calcul montre qu'une palette industrielle à une seule cavité nécessite une force de serrage de 500 à 700 tonnes, selon le coefficient de sécurité choisi. La grande surface projetée (1 200 cm²) explique la force de serrage requise, même si la palette ne comporte qu'une seule cavité. Les pièces industrielles de grande taille nécessitent des machines de forte puissance, quel que soit le nombre de cavités.

Pour les acheteurs qui utilisent plusieurs moules à palettes sur une seule machine, la machine est sélectionnée en fonction de la plus grande surface projetée parmi les moules qui y seront utilisés.

Adaptation du tonnage à la série SK

Le Machine de moulage par injection servo à économie d'énergie SUCCESSOR série SK Elle couvre les capacités de 110 à 2800 tonnes, avec des références intermédiaires à 140, 170, 220, 280, 330, 380, 480, 560, 680, 780, 880, 1100, 1300, 1600, 1900, 2200, 2500 et 2800 tonnes. SK-220 220 tonnes est une référence SKU de milieu de gamme.

Comment associer un calcul à une UGS

La méthode standard consiste à arrondir le tonnage calculé à la référence supérieure disponible. Pour un calcul de 738 tonnes, la référence supérieure correspond à 780 tonnes. Pour un calcul de 136 tonnes, la référence supérieure correspond à 170 tonnes. Pour un calcul de 528 tonnes, la référence supérieure correspond à 560 tonnes.

Certains acheteurs préfèrent omettre une référence pour bénéficier d'une marge de sécurité plus importante. Par exemple, pour un calcul portant sur 738 tonnes, l'acheteur pourrait choisir la référence de 880 tonnes afin d'obtenir une marge de sécurité de 19 % au lieu des 6 % habituels. Ce choix dépend du niveau de risque toléré par l'application.

Quand demander une vérification du tonnage

Pour les pièces de première série, le tonnage calculé est une estimation. Le tonnage opérationnel réel peut différer de 10 à 20 % de la valeur calculée, en fonction du profil de pression réel de la cavité, de la conception du moule et du profil d'injection. Après les 100 à 200 premiers cycles de production, le tonnage opérationnel se stabilise.

Pour les acheteurs qui spécifient une nouvelle machine, l'équipe d'ingénierie de SUCCESSOR peut analyser la géométrie de la pièce, le matériau et la surface projetée afin de fournir une recommandation de tonnage. Contactez l'équipe via le page de contact Avec le dessin de la pièce, la nuance de matériau et le temps de cycle cible, l'équipe vous fournira une recommandation écrite sous 1 à 2 jours ouvrables.

Références : Cet article fait référence aux principes de calcul de la force de serrage de la Association de l'industrie des plastiques directives de sélection des machines, les Groupe d'action de l'industrie automobile (AIAG) normes de processus de moulage par injection, et les Journal of Plastic Engineering & Science Recherche évaluée par des pairs sur le profilage de la pression dans les cavités. Les données relatives à la pression dans les cavités des matériaux sont comparées aux fiches techniques des fournisseurs de résine pour PP, PE, ABS, PC, PA, POM et PPS.