Marques de Brûlure et Poches de Gaz en Moulage par Injection — Conception des Évents, Effet Diesel et Solutions de Procédé

Un ingénieur procédé d’un fournisseur d’éclairage automobile inspecte une lentille en polycarbonate — 180 mm de long, 4,2 mm d’épaisseur au centre s’amincissant à 2,0 mm aux bords, alimentée par un seul seuil sous-marin sur la face inférieure, avec un bossage de 15 mm de diamètre à chacun des quatre coins de montage. Chaque 20 à 30 injections produit une lentille avec une décoloration brun-noir — d’environ 3–5 mm de diamètre — au bossage le plus éloigné du seuil. La décoloration n’est pas en surface ; elle est incrustée dans le polymère, visible à travers le PC transparent comme un tourbillon sombre. La spécification du client pour une lentille d’éclairage avant automobile est zéro marque de brûlure — toute décoloration visible est un rejet. Avec un taux de rejet de 3–4 %, le moule perd environ 180 pièces acceptables par poste. Le coût annualisé des rejets à ¥85 par pièce est d’environ ¥1,3 million.

L’ingénieur a essayé de réduire la température de masse fondue de 300 °C à 285 °C — la fréquence des brûlures est passée de 5 % à 3 % mais n’a pas disparu. La réduction de la vitesse d’injection de 85 mm/s à 60 mm/s a fait baisser la fréquence à 2 %, mais la pression de remplissage est passée de 120 MPa à 155 MPa, s’approchant de la limite de 175 MPa de la machine, et le temps de cycle a augmenté de 1,8 secondes. Les marques de brûlure sont toujours présentes à 2 % — un rejet toutes les 50 injections.

La cause racine est une poche de gaz au bossage rempli en dernier — les quatre bossages d’angle se remplissent en dernier, et les fronts d’écoulement convergents emprisonnent l’air dans la cavité du bossage sans voie d’échappement. L’air emprisonné est comprimé à environ 15–25 bar pendant les dernières millisecondes du remplissage, s’échauffant de manière adiabatique jusqu’à environ 350–500 °C — au-dessus de la température de dégradation du PC d’environ 340 °C. Le polymère à l’interface de compression du gaz se dégrade thermiquement, produisant la décoloration brun-noir. L’évent qui aurait dû se trouver sur la face terminale du bossage a été omis parce que le concepteur du moule considérait le bossage comme une « poche borgne » qui se remplirait sans emprisonner d’air — une erreur de calcul qu’une analyse d’écoulement aurait détectée avant la première injection.

Ce qu’est une marque de brûlure — et le gaz qui la provoque

Une marque de brûlure est une décoloration localisée — typiquement brune, noire ou brun-argenté — sur ou juste sous la surface d’une pièce moulée. Elle se forme lorsque du gaz emprisonné (air, matières volatiles ou produits de décomposition) est comprimé à une pression et une température élevées dans la phase finale du remplissage de la cavité, provoquant une dégradation thermique du polymère à l’interface de compression du gaz.

Une marque de brûlure n’est pas :

• Une marque de striure due à l’humidité ou à la dégradation par cisaillement (bien que les deux impliquent du gaz)
• Un point chaud dû à une excursion localisée de température du canal chaud
• Une contamination par du matériau dégradé stagnant dans un point mort du fourreau

Les marques de brûlure sont toujours accompagnées de gaz emprisonné. Trouvez la poche de gaz, et vous trouverez la marque de brûlure. Éliminez la poche de gaz — en l’éventant, en la déplaçant ou en la remplissant plus lentement — et vous éliminerez la marque de brûlure.

Le gaz emprisonné peut provenir de quatre sources :

La source la plus courante — et celle que la conception du moule peut traiter — est l’air emprisonné dans la cavité pendant le remplissage. Une cavité est un volume fermé avec une seule entrée (le seuil) et aucune sortie. L’air qui occupe la cavité avant l’injection doit s’échapper quelque part. S’il n’a pas de voie d’échappement, il est comprimé par la masse fondue entrante et constitue environ 0,1–0,5 % du volume final de la pièce — apparemment insignifiant, mais suffisant pour produire une marque de brûlure visible.

L’effet diesel : compression adiabatique du gaz emprisonné

La physique qui transforme l’air emprisonné en marque de brûlure est la compression adiabatique — le même principe qui enflamme le carburant dans un moteur diesel. Lorsqu’un gaz est comprimé rapidement, sa température augmente. Si la compression est suffisamment rapide pour que la chaleur n’ait pas le temps de se dissiper vers le métal et le plastique environnants (c’est-à-dire que la compression est adiabatique), l’augmentation de température est donnée par :

T₂ = T₁ × (P₂ / P₁)^((γ−1)/γ)

Où :

• T₁ = température initiale du gaz (~503 K / 230 °C — température de paroi de cavité pour PC)
• P₁ = pression initiale du gaz (1 bar, atmosphérique au début du remplissage)
• P₂ = pression finale du gaz (la pression de cavité à la fin du remplissage, typiquement 300–700 bar)
• γ = rapport des chaleurs spécifiques pour l’air (1,4)

Pour du PC moulé à une pression de cavité de 500 bar avec une température de paroi de cavité de 90 °C (363 K) :

T₂ = 363 × (500/1)^((1,4−1)/1,4) = 363 × 500^0,286 ≈ 363 × 5,93 ≈ 2.153 K (1.880 °C)

La température adiabatique calculée de 1.880 °C dépasse largement la température de dégradation du polycarbonate (~340 °C), de l’ABS (~270 °C) et de la plupart des thermoplastiques courants. En pratique, la température réelle du gaz est plus basse — la compression n’est pas parfaitement adiabatique car une partie de la chaleur est perdue vers les parois du moule et la masse fondue — mais une bulle de gaz emprisonné peut facilement atteindre 350–600 °C, ce qui est suffisant pour dégrader tout polymère courant de moulage par injection.

Le polymère dégradé à l’interface de compression du gaz est mécaniquement faible. Il a subi une scission de chaîne (pour les matériaux amorphes comme le PC et l’ABS) ou une dégradation oxydative (pour les polyoléfines). Le matériau décoloré n’est pas seulement un défaut cosmétique — c’est une zone localisée de faiblesse avec un poids moléculaire réduit, une résistance au choc réduite et, dans les cas extrêmes, un matériau carbonisé qui peut se détacher de la surface de la pièce et contaminer l’assemblage en aval.

Cinq causes racines et leurs remèdes

Cause 1 : Évents inadéquats ou absents à l’emplacement de la poche de gaz

C’est la cause principale des marques de brûlure dans les nouveaux moules. L’analyse d’écoulement prédit où la dernière région de la cavité se remplit — la « zone de dernier remplissage » — qui est toujours une poche de gaz si elle n’est pas éventée. L’évent doit être situé exactement à ce point de dernier remplissage. Un évent à 5 mm de la poche de gaz est un évent qui ne fonctionne pas — le gaz est piégé à 5 mm de la voie d’échappement, et la masse fondue atteint l’évent avant le gaz, le scellant.

Règles de positionnement des évents :

1. L’évent doit être à l’emplacement exact de la poche de gaz prédit par la simulation de remplissage — ni adjacent, ni proche
2. Des évents secondaires doivent être placés le long du trajet d’écoulement aux endroits où le front de fusion ralentit ou converge, comme aux plans de rencontre des lignes de soudure
3. Pour les poches borgnes (bossages, nervures profondes, coins), l’évent est placé sur la face terminale — le point le plus profond de la poche, opposé à l’entrée
4. Les éjecteurs peuvent servir d’évents : un éjecteur avec une face rectifiée plane dans la zone de poche de gaz avec 0,01–0,02 mm de jeu périphérique fournit un chemin d’évent naturel vers la plaque d’éjection

Dimensions des évents par matériau :

La lèvre d’évent est la section peu profonde au bord de la cavité — sa profondeur détermine si le gaz passe (oui) et si le plastique passe (non, si correctement dimensionné). La largeur de la lèvre (3–8 mm) fournit une restriction courte et contrôlée. Au-delà de la lèvre, le canal d’évent tombe sur un dégagement beaucoup plus profond (0,5–1,0 mm) qui n’offre aucune résistance au flux de gaz, canalisant l’air qui s’échappe vers l’extérieur du moule.

La règle de profondeur de lèvre : 0,01 mm en dessous du seuil de bavure du matériau. Si le matériau produit des bavures à un jeu de plan de joint de 0,03 mm, la profondeur de la lèvre d’évent doit être de 0,02 mm — suffisamment profonde pour laisser passer le gaz, suffisamment peu profonde pour empêcher l’entrée de la masse fondue. C’est pourquoi les matériaux à faible viscosité (PE, PP, PA6) nécessitent les évents les moins profonds — leur seuil de bavure est plus bas.

Nombre d’évents : Il n’y a pas de nombre fixe. Chaque emplacement de poche de gaz — chaque région où la simulation de remplissage montre des fronts d’écoulement convergents ou une poche borgne — nécessite son propre évent. Un moule avec un seuil, deux broches centrales et quatre bossages peut avoir 5–8 emplacements de poches de gaz, chacun nécessitant un évent dédié.

Cause 2 : Vitesse d’injection trop élevée pour l’éventage disponible

La vitesse d’injection contrôle directement la rapidité avec laquelle l’air dans la cavité est comprimé. Une vitesse d’injection plus élevée donne à l’air emprisonné moins de temps pour s’échapper par les évents avant que la masse fondue ne scelle la voie d’échappement — et produit simultanément un taux de compression plus rapide, augmentant la température maximale du gaz.

La relation entre la vitesse d’injection et la formation des marques de brûlure n’est pas linéaire. Il existe une vitesse d’injection seuil en dessous de laquelle les évents existants peuvent évacuer l’air de la cavité avant l’arrivée de la masse fondue, et au-dessus de laquelle le gaz est emprisonné et comprimé. Ce seuil dépend de :

• La surface d’évent (somme de toutes les sections transversales d’évents)
• Le volume de la cavité (plus d’air à évacuer = vitesse seuil plus basse)
• Le temps de remplissage (temps de remplissage plus court = compression plus rapide = température plus élevée)

Test diagnostique : Effectuer une série d’injections à des vitesses d’injection progressivement décroissantes — commencer à la vitesse de production normale, réduire de 10 mm/s par palier, maintenir tous les autres paramètres constants. Enregistrer la présence ou l’absence de marques de brûlure à chaque vitesse. Tracer la fréquence des brûlures en fonction de la vitesse d’injection. Le seuil est la vitesse à laquelle la fréquence des brûlures tombe à zéro. Si la vitesse seuil est inférieure à la vitesse nécessaire pour remplir complètement la cavité (c’est-à-dire que la masse fondue se fige avant le remplissage), l’éventage est inadéquat et une modification du moule est nécessaire.

Injection profilée : Au lieu d’utiliser une seule vitesse basse pour toute l’injection, utiliser une injection profilée : remplissage rapide (80–100 mm/s) pour les 90–95 % premiers du volume de la cavité, puis une décélération brusque à 20–30 mm/s pour les 5–10 % restants — la région où le gaz est comprimé. Le remplissage rapide pour la majeure partie du volume empêche le figeage prématuré ; le remplissage lent pour la compression finale donne au gaz emprisonné le temps de s’échapper par les évents. C’est l’approche standard pour les moules à éventage limité où la modification du moule n’est pas immédiatement possible.

Cause 3 : Position du seuil créant une poche de gaz non éventable

La position du seuil détermine le motif de remplissage, et le motif de remplissage détermine où les poches de gaz se forment. Un seuil qui remplit un bossage depuis l’extrémité ouverte (le seuil est à la base du bossage, l’écoulement monte le long de la paroi du bossage, se rencontrant à l’extrémité fermée) crée une poche de gaz à l’extrémité borgne du bossage — qui est accessible pour l’éventage car elle fait face au plan de joint ou à un éjecteur.

Un seuil qui remplit d’abord la zone autour du bossage, puis remplit le bossage de l’extérieur vers l’intérieur, crée une poche de gaz à la base du bossage — qui est inaccessible pour l’éventage car elle est à l’intérieur de la cavité, entourée de plastique rempli. Le gaz est emprisonné dans le bossage, et il n’y a aucun chemin pour l’évacuer.

La règle de position du seuil pour la prévention des poches de gaz : le seuil doit être positionné de sorte que les poches de gaz se forment à des emplacements accessibles — surfaces du plan de joint, faces d’éjecteurs, faces de tiroirs ou extrémité des nervures qui atteignent le plan de joint. Les poches de gaz sur des caractéristiques internes de la cavité (intérieurs de bossages remplis de l’extérieur, poches profondes sans accès au plan de joint) sont des cauchemars d’éventage.

Cause 4 : Humidité du matériau et teneur en matières volatiles

Un matériau insuffisamment séché introduit de la vapeur d’eau et des matières volatiles de bas poids moléculaire dans le flux de masse fondue. Ces matières volatiles se vaporisent à la température de la masse fondue et contribuent un volume de gaz supplémentaire à la cavité — du gaz qui n’a pas été pris en compte dans la conception de l’éventage. Une cavité éventée pour 3 cm³ d’air emprisonné peut être inadéquate pour 3 cm³ d’air plus 1 cm³ de vapeur d’eau d’un matériau non séché.

Exigences de séchage des matériaux :

Un sécheur de matériau qui ne délivre pas son point de rosée nominal (typiquement −30 °C à −40 °C pour les résines techniques) produit un matériau à 0,05–0,10 % d’humidité — 2–5 fois l’objectif — ajoutant un volume de gaz substantiel à la cavité. Le test diagnostique est une mesure à l’analyseur d’humidité du matériau à la gorge d’alimentation. Si la teneur en humidité est au-dessus de la spécification, le sécheur — pas l’éventage — est la cause racine des marques de brûlure.

Cause 5 : Points morts et dégradation du matériau dans le fourreau

Le polymère qui séjourne dans un point mort — un coin du fourreau, derrière le clapet de retenue, dans une branche morte du distributeur de canal chaud — pendant de multiples cycles subit une dégradation thermique progressive. Le matériau dégradé est plus sombre, plus visqueux et transporte des gaz de décomposition. Lorsqu’il finit par se détacher et entre dans la cavité avec l’injection suivante, il produit une marque de brûlure intermittente — apparaissant une fois toutes les 10–50 injections, jamais au même endroit.

Les brûlures de point mort se diagnostiquent par leur intermittence et leur caractère aléatoire. Une brûlure liée à l’éventage est très cohérente — même emplacement, même forme, même fréquence (chaque injection ou une injection sur deux). Une brûlure de point mort est incohérente — différents emplacements, différentes sévérités, apparaissant en grappes puis disparaissant pendant 20 injections.

Action corrective : Purger le fourreau avec un composé de purge commercial (pas avec le matériau de production — le matériau dégradé coincé dans les points morts ne sera pas délogé par le même matériau qui l’a créé). Inspecter le clapet de retenue pour l’usure — un clapet de retenue usé crée une zone de recirculation où le matériau peut stagner. Dans les systèmes à canal chaud, inspecter les branches mortes du distributeur — tout canal sans chemin d’écoulement (un seuil obstrué, une position de buse inutilisée) est un point mort qui accumule du matériau dégradé.

Évacuation par vide — quand l’éventage conventionnel ne suffit pas

Pour les pièces où l’éventage par les jeux conventionnels du plan de joint et des éjecteurs est insuffisant — typiquement les pièces à emboutissage profond, les pièces à grande surface projetée et temps de remplissage courts, ou les pièces transparentes avec une tolérance zéro pour les défauts cosmétiques — l’éventage assisté par le vide est la solution.

Un système d’éventage par vide relie les canaux d’évents à une pompe à vide qui évacue activement l’air de la cavité avant et pendant l’injection. La cavité est scellée (tous les évents sont connectés au circuit de vide), un vide de 500–700 mbar en dessous de la pression atmosphérique est établi, et l’injection est déclenchée lorsque le point de consigne de vide est atteint. La pression initiale réduite abaisse la température maximale de compression :

Pour une pression initiale de 0,3 bar (70 % de vide) au lieu de 1,0 bar, le rapport de compression à 500 bar devient 500/0,3 ≈ 1.667 (contre 500/1,0 = 500), mais l’augmentation absolue de température n’est que de 60 % du cas atmosphérique en raison de la densité initiale plus faible — moins de molécules de gaz sont présentes pour être comprimées.

En pratique, l’éventage par vide réduit la température maximale du gaz emprisonné de 40–60 %, ce qui peut suffire à maintenir la température du gaz en dessous du seuil de dégradation du polymère.

L’éventage par vide ajoute environ ¥15.000–30.000 au coût du moule (pompe à vide, distributeur, joints, système de contrôle) et 1–3 secondes au temps de cycle (établissement du vide). Il est réservé aux applications où le coût des rejets pour marques de brûlure dépasse le coût amorti du système de vide — typiquement l’éclairage automobile, les composants médicaux transparents et les pièces optiques.

Analyse d’écoulement pour la prédiction des poches de gaz

La simulation d’écoulement prédit les emplacements des poches de gaz avec une grande précision. La simulation de remplissage suit le front de fusion qui avance, et toute région de la cavité où le front de fusion converge depuis de multiples directions — un « îlot » de cavité non remplie entouré de cavité remplie — est signalée comme une poche de gaz.

La simulation nécessite que l’éventage soit modélisé : si aucun évent n’est spécifié dans la simulation, les poches de gaz sont prédites en supposant un éventage nul (tout le gaz est emprisonné). Si des évents sont spécifiés à des emplacements précis avec des dimensions précises, la simulation calcule la quantité de gaz qui s’échappe par chaque évent et si le gaz emprisonné restant est suffisant pour produire une brûlure.

Le flux de travail standard avant production :

1. Exécuter la simulation de remplissage sans évents → identifier tous les emplacements de poches de gaz
2. Ajouter des évents à chaque emplacement de poche de gaz → réexécuter la simulation avec des conditions aux limites éventées
3. Vérifier qu’aucune poche de gaz non éventée ne subsiste
4. Si des poches de gaz non éventées persistent (emplacements inaccessibles), ajuster la position du seuil pour modifier le motif de remplissage, ou ajouter des évents d’éjecteur aux emplacements des poches de gaz

Une revue DFM qui inclut l’analyse des poches de gaz identifie les risques de marques de brûlure avant l’usinage de l’acier. Le coût d’ajout d’un évent pendant la conception du moule est le coût d’une rainure usinée — environ ¥200–500 par évent. Le coût d’ajout du même évent en modifiant un moule fini — démontage, réusinage, remontage, requalification — est de ¥3.000–8.000 par évent plus 2–5 jours d’arrêt.

L’ingénieur en éclairage automobile qui a commencé avec 3–4 % de rejets pour marques de brûlure sur la lentille PC a finalement identifié deux causes racines par un diagnostic systématique. Premièrement, une analyse d’écoulement du motif de remplissage existant a confirmé quatre poches de gaz aux quatre bossages d’angle — chaque bossage se remplissait de l’extérieur vers l’intérieur, emprisonnant de l’air sur la face terminale du bossage sans chemin d’évent. Deuxièmement, on a découvert que le sécheur de matériau délivrait un point de rosée de −22 °C au lieu du −40 °C spécifié — dessiccant usé — produisant du PC à 0,04 % d’humidité au lieu de l’objectif <0,02 %, ajoutant de la vapeur d’eau à l’air emprisonné et augmentant le volume de gaz à chaque bossage d’environ 30 %.

Les actions correctives : des évents d’éjecteur ont été ajoutés sur la face terminale de chaque bossage (les éjecteurs existants ont été rectifiés plans pour fournir un chemin d’évent périphérique de 0,03 mm vers la plaque d’éjection — une modification de ¥2.000 par éjecteur qui n’a nécessité aucun démontage du moule au-delà du retrait des éjecteurs pour la rectification). Le dessiccant du sécheur a été remplacé (¥3.000), restaurant le point de rosée de −40 °C et ramenant l’humidité du matériau à 0,015 %.

Après les deux corrections, la fréquence des brûlures est passée de 3–4 % à zéro — aucune marque de brûlure lors d’une validation de 5.000 injections. Le coût annuel des rejets de ¥1,3 million a été éliminé. La vitesse d’injection a été rétablie à 85 mm/s, la température de masse fondue à 300 °C et le temps de cycle à sa valeur d’origine.

Les marques de brûlure sont un problème de gaz. Si le gaz ne peut pas s’échapper, il brûle le plastique. La solution est toujours la même en principe — donnez au gaz une voie de sortie — mais l’art consiste à savoir où le gaz est emprisonné, et si l’évent peut être ajouté à cet emplacement sans modification du moule. L’analyse d’écoulement rend la première question résoluble ; la conception du moule rend la deuxième question actionnable.

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