Matière pour moulage par injection
La présente invention concerne une matière pour moulage par injection.
Les matières thermoplastiques prennent une extension croissante du fait de la facilité avec laquelle elles peuvent être moulées ; cependant leur emploi est souvent restreint par leurs mauvaises qualités mécaniques, en particulier leur manque de rigidité, leur instabilité dimensionnelle et leur perméabilité à la vapeur d'eau.
Le manque de rigidité des matières thermoplastiques provient de leur faible module d'élasticité (750-35000 kg/cm2) en comparaison du module d'élasticité des métaux (750000-2100 000 kg/cm2) qui sont usuellement utilisés pour l'usinage des pièces mécaniques, tels par exemple les roulements à bille, les engrenages, les coussinets, les bagues de frottement ou autres. Dans beaucoup de cas ce faible module d'élasticité est encore diminué par suite d'une absorption d'humidité, ce qui amène une déformation des pièces réalisées en ces matières.
A ceci s'ajoute leur manque de stabilité dimensionnelle qui modifie les jeux ou intervalles ce qui rend leur usage impropre dans tous les cas où ces dimensions doivent demeurer constantes dans d'étroites limites.
La perméabilité à la vapeur d'eau est très préjudiciable pour la constitution des pièces devant travailler dans des conditions atmosphériques variables.
Tous ces inconvénients font qu'il est très difficile et même souvent impossible d'utiliser les matières thermoplastiques au lieu des métaux alors qu'elles présentent non seulement des grandes facilités d'usinage mais encore des qualités d'autolubrification étonnantes.
La présente invention concerne une matière pour moulage par injection palliant ces inconvénients. La matière selon la présente invention possède à froid un module d'élasticité en compression non inférieur à 40000 kg/cm2 et est caractérisée en ce qu'elle consiste en une substance thermoplastique chargée à au moins 20 o/o en volume d'un matériau de remplissage finement divisé en forme de globules dont le module d'élasticité en compression est supérieur à 150000kg/cm2.
Dans le dessin, la fig. 1 représente une pointe de stylo à bille fabriquée par moulage par injection d'une matière selon l'invention et la fig. 2 est une vue schématique à grande échelle illustrant la dispersion des particules sphériques à l'intérieur de la matrice plastique.
La forme générale de la pointe 1, représentée à la fig. 1, est connue et en conséquence ne nécessite pas de description détaillée. La bille traçante 2 (habituellement d'un diamètre d'environ 1 mm) est retenue dans un alvéole ou logement 3, à l'intérieur duquel elle peut tourner sur elle-même avec un jeu sensiblement nul, grâce à la lèvre recourbée 4 de la pointe, la bille étant située entre cette lèvre incurvée et un siège de base constitué par une pluralité de surfaces d'appui 5, partiellement sphériques, et situées sur une même circonférence; la bille est en outre maintenue latéralement par des sièges latéraux partiellement sphériques 6 qui entourent ladite bille au-dessous et au-dessus de son plan médian.
Les sièges latéraux 6 sont espacés du siège de base par une cavité annulaire 7 qui entoure la bille; il est prévu un conduit d'alimentation 8, 8a, qui conduit au pôle immergé de la bille et des petits canaux d'encre 9 situés entre les surfaces d'appui de la base 5 condui sant cette encre à partir de ce conduit d'alimentation jusqu'à la cavité 7.
Les résines synthétiques du type polyamide ont une résistance à l'usure considérable et se sont en fait montrées, à ce point de vue, supérieures aux métaux pour l'usinage des pièces où l'on utilise généralement des alliages de cuivre et d'aluminium ayant un module d'élasticité de l'ordre de 750000 kg/cm2.
Mais le module de compression de cette classe de matières plastiques est très considérablement inférieur à celui des métaux.
En conséquence, il est nécessaire d'obtenir une augmentation considérable de rigidité. A cet effet, on ajoute à la substance thermoplastique un matériau de remplissage finement divisé en forme de globules dont le module d'élasticité en compression est supérieur à 150 000 kg/cm4. Cependant, les substances thermoplastiques peuvent facilement perdre leurs capacités d'injection si la concentration en matériau de remplissage solide est trop forte. La rigidité de la matière moulée ne doit, en conséquence, être augmentée qu'au détriment de la capacité de moulage, et vice versa.
Il a été découvert que le volume partiel occupé par le matériau de remplissage rigide n'est pas, sous aucun point de vue, le seul facteur qui détermine la rigidité finale de la matière ainsi chargée après son moulage. La forme des particules et leur granulométrie sont aussi très importantes, de telle sorte qu'il n'est, d'une façon générale, pas possible de fixer d'avance des règles invariables de détermination du choix à faire entre les différents facteurs susmentionnés, dont l'application soit immédiate et qui permettent d'obtenir de bons résultats (même s'ils ne sont pas les meilleurs).
I1 a été cependant découvert que l'adoption à la fois de la fluidité la plus basse possible pour permettre l'injection par moulage et la rigidité la plus haute qu'il soit possible d'obtenir avec un matériau de remplissage donné, est la combinaison qui doit donner les meilleurs résultats ; ceci peut être obtenu notamment en procédant de la fa çon suivante: 1. Prendre une poudre fine d'un matériau de rem
plissage approprié rigide et la trier de façon à
enlever toutes les particules supérieures à ap
proximativement 50 microns.
2. Verser la poudre sèche dans un réceptacle et
déterminer le volume partiel maximum occupé
par cette poudre quand elle est conservée à l'air
sec, ceci étant obtenu en la tassant par secouage.
Par volume partiel il faut entendre la pro
portion de la somme des volumes individuels des
particules de cette poudre par rapport au volume
total occupé par elle, tassée dans l'air ou répartie
dans l'excipient qui la contient.
3. Préparer une suspension dense et uniforme du
matériau de remplissage dans un liquide, c'est
à-dire par exemple de l'huile de ricin, de manière
à ce que le volume partiel du matériau de rem
plissage soit légèrement inférieur au volume par
tiel maximum dans l'air déterminé suivant le pa
ragraphe 2 ci-dessus.
4. Vérifier que cette suspension lorsqu'elle est uni
forme coulera d'une façon égale et continue
quoique lente sans blocage lorsqu'elle sera pressée
hors d'une seringue dont l'orifice intérieur est par
exemple 1,5 mm.
5. Si l'essai pratique selon le paragraphe 4 ci-des
sus n'est pas satisfaisant, diminuer progressive
ment la proportion du matériau de remplissage,
c'est-à-dire ajouter du liquide jusqu'à ce que la
fluidité minimum requise soit obtenue.
6. Préparer une poudre d'injection dans laquelle le
mélange de substances thermoplastiques et de ma
tériaux de remplissage est ajusté de telle façon
que le volume partiel de ce dernier dans la ma
tière moulée corresponde à la valeur déterminée
au paragraphe 5.
Par conséquent, il faut employer un matériau de remplissage rigide finement dispersé, dont le volume partiel, dans cette substance, par rapport au volume total, est supérieur à 10 /o et inférieur, mais de préférence très peu inférieur, au volume partiel maximum dudit matériau de remplissage dans l'air.
Pour être appropriée à un tel moulage, la viscosité de la substance liquide thermoplastique, ne contenant pas le matériau de remplissage, et se trouvant à l'état fondu, doit être aussi faible que possible, sans quoi il n'est pas possible de la charger dans la mesure voulue sans obtenir un mélange non susceptible d'être moulé par injection sous les pressions usuelles. Sous cet aspect, les polyamides conviennent particulièrement bien, car leur viscosité est de l'ordre de 1000 à 2000 poises à la température de moulage.
D'autres plastiques, tels que le métacrylate de méthyle ne conviennent pas parce que leur viscosité sans aucune charge est déjà voisine de la limite actuellement admise pour le moulage qui est de l'ordre de 100000 à 150000 poises.
La résistance à l'usure d'une substance thermoplastique contenant une charge ne peut pas être prévue avec certitude sans expérimentation. Les polyamides ont donné jusqu'ici les meilleurs résultats.
Quand ils sont chargés suivant les exemples qui seront donnés ci-dessous, la résistance à l'usure est notablement supérieure à celle des pièces faites en laiton ou en bronze.
I1 a été également trouvé que les meilleurs résultats peuvent être obtenus selon le procédé décrit en utilisant un matériau de remplissage qui, du fait de la forme de ses particules, est peu préjudiciable à la fluidité du mélange fondu, lorsque combiné avec une substance thermoplastique ayant une faible viscosité à la température de moulage, par exemple moins de 10000 poises.
Les meilleurs résultats ont par suite été obtenus avec des particules rondes ou sphériques du matériau de remplissage, dans une résine polyamide laquelle, de toutes les substances thermoplastiques qu'il soit actuellement possible de se procurer, a la fluidité la plus élevée à l'état fondu. Dans ce cas, une parfaite aptitude au moulage a été maintenue jus quzà 55 /o en volume de globules de cuivre ou de verre, la limite pratique ayant été atteinte à 61 0/o.
Par contre, l'addition de petites paillettes de cuivre du genre de celles utilisées dans les peintures métalliques ou de poudre de mica s'est trouvée limitée à environ 10 O/o en volume en raison de la diminution progressive de l'aptitude au moulage pour les hautes concentrations. Néanmoins, l'augmentation relative du module d'élasticité par un pour cent d'augmentation de la proportion de matériau de remplissage est notablement plus élevée que lorsque les particules sont sphériques.
Pour ces diverses raisons, il n'est pas possible de donner une règle rigide et fixe pour déterminer l'aptitude d'une forme particulière du matériau de remplissage sans procéder à des essais, suivant les indications qui précèdent. Cependant, pour les particules approximativement sphériques, le tableau suivant pourra servir de guide:
Matériau de remplissage CO/o en vol.) 0 10 20 30 40 45 50 55 60
Augmentation relative de la viscosité 3. 1,5 2,5 5 9 12 17 24 30
Augmentation relative
du module de compression:
forte adhésion 1 1,5 2,1 2,8 3,6 4,1 4,8 5,8 9
faible adhésion 1 1,3 1,6 1,9 9 2,3 2,5 2,8 3,1 1
Si l'on veut obtenir une distribution complètement uniforme de matériau de remplissage à l'intérieur des parois minces et des sections minces d'une pièce moulée, il est préférable d'utiliser un matériau de remplissage dont les dimensions linéaires maximums des particules soient environ de 50 microns.
Il a été également trouvé que les globules de cuivre permettent d'obtenir des résultats supérieurs aux globules de verre lorsqu'ils sont utilisés comme matériau de remplissage pour des matières synthétiques en polyamide. I1 semble que le cuivre adhère à ces dernières après moulage par injection, tandis que le verre et la poudre de bronze sont inférieurs à ce point de vue. L'adhésivité de l'argent est voisine de celle du cuivre pur. Que ceci soit dû à des différences chimiques entre ces matériaux de remplissage ou à toute autre différence dans la structure de leur surface n'a pas pu être établi.
Quoique dans les deux cas la matière plastique se resserre sur le matériau de remplissage solide après solidification et refroidissement, il est plausible que toute adhésivité étroite entre le matériau de remplissage et la matrice augmente la rigidité du matériau moulé et vice versa.
I1 est évident que l'adhésivité est de moindre importance lorsque la matière est utilisée en compression seulement, ce qui est presque le cas dans un palier simple. La perméabilité à la vapeur d'eau est fortement réduite et la stabilité dimensionnelle est accrue, si i'on utilise des matières fortement chargées en matériaux de remplissage décrites ci-dessus. La perméabilité du nylon associé à un matériau de remplissage suivant les exemples ci-dessus se trouve réduite à un tiers de la valeur du nylon sans ce matériau. Aucune distorsion des pièces faites en cette matière par suite d'une absorption d'humidité n'a pu être observée.
La pointe ainsi décrite est fabriquée par moulage par injection comme décrite ci-après.
On peut fabriquer des pointes établies suivant ce dessin par moulage par injection des matières spécifiées dans les exemples ci-dessus, dans les conditions de travail suivantes
Pression d'injection 350 à 750 kg/cm2
Longueur du conduit
d'injection. 12 mm
Diamètre de ce conduit . 1,6 mm
Section d'entrée 1,4 mm
Température d'injection pour
matières à base de nylon 2850 C
Température du moule pour
matières à base de nylon 1500 C
On a trouvé que des sections d'entrée relativement grandes, ainsi que des températures d'injection et du moule élevées, suivant les valeurs susmentionnées, sont très désirables pour réaliser des moulages de haute qualité.
La partie droite de la fig. 1 montre comment la taille des particules du matériau de remplissage est limitée par la forme même du logement. Dans la réalisation montrée à la fig. 1 le matériau de remplissage utilisé de préférence consiste en globules sensiblement sphériques 15, ayant un diamètre maximum de 40 microns environ. La fig. 2 illustre la disposition idéale des globules de cette sorte à l'in térieur de la matière plastique pour un volume partiel de 50 o/o et pour un empilage rhomboédrique, dans lequel: d = 0.14 D. L'arrangement effectif des particules sphériques dans la matière solidifiée peut, au mieux, être décrit suivant une distribution de hasard qui ne différencie pas dans ses caracteristiques essentielles de la disposition idéale représentée à la fig. 2.
Ceci permet de se rendre compte à quel point le remplissage est important, et comment une très grande augmentation de la rigidité peut être obtenue sans supprimer la mobilité du mélange à l'état fondu.
Ceci permet également de se rendre compte que la stabilité dimensionnelle et la résistance à la pénétration de la vapeur d'eau sont grandement augmentées, en particulier si le matériau de remplissage est constitué de matériaux céramiques (par exemple de verre) ou de métal (de préférence de cuivre).
I1 a été de plus trouvé que les matières ainsi réalisées peuvent supporter un effort élastique momentané assez important sans déformation permanente. Ceci permet en particulier soit d'introduire des pièces, réalisées en une telle matière, dans leur logement, en les y faisant pénétrer à force, soit à l'inverse de faire des logements en une telle matière et d'y faire pénétrer à force la pièce destinée à ce logement, une bille de stylo à bille dans l'exemple représenté. Les thermoplastiques relativement cassants tels que les styrènes ne conviennent pas à cet égard; parmi toutes les matières thermoplastiques existant actuellement, le nylon est celui qui combine le mieux une basse viscosité à l'état fondu avec une haute résistance à l'usure, la stabilité dimensionnelle et une limite élastique élevée.
I1 a été constaté qu'un nylon du type B. 100 polyhexaméthylène sébacamide), en raison de sa grande stabilité dimensionnelle, est supérieur au nylon du type A. 100 (polyhexaméthylène adipamide), bien que celui-ci possède un module d'élasticité plus élevé. Le seul inconvénient de ces polyamides, à savoir leur adhésivité relativement faible à divers matériaux, est compensé par le choix d'un métal tel que le cuivre ou l'argent, qui, tous les deux, sont également de très bons métaux pour constituer des surfaces d'appui.
I1 a été enfin constaté avec surprise que la matière définie comme il a été décrit ci-dessus, présente des qualités très remarquables quant au frottement.
Une telle matière se prête donc à de très nombreuses applications en remplacement des matériaux utilisés pour les pignonnages, coussinets, bagues de roulement, roulements à bille ou autres.
Les exemples suivants sont des exemples de la matière pour moulage par injection décrite.
Exemple 1
Substance thermoplastique : polyhexaméthylène-sébacamide (nylon B 100).
Module de compression à l'état sec: 21000 kg/cm2.
Dimensions moyennes des particules: 1,3 mm environ.
Matériau de remplissage : Poudre de cuivre en globules obtenue par pulvérisation à partir de
cuivre électrolytique pur.
Module d'élasticité en compression: 1000000 kg/cm2.
Dimensions moyennes des globules: 2,5 à 40 microns.
Volume partiel maximum à l'air: 64 O/o.
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remplissage: 45 /o.
Module de compression sec: 77000 kg/cm2.
Exemple 2
Substance thermoplastique : nylon B 100 comme dans l'exemple 1.
Matériau de remplissage : Globules de verre en globules fabriqués à partir de verre à la soude
tendre.
Module d'élasticité en compression: 500 000 kg/cm2.
Dimensions moyennes des globules: 5-40 microns.
Volume partiel maximum à l'air: 58 0/o.
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remplissage: 51 < ?/o.
Module de compression à l'état sec: 60000 kg/cm2.
Exemple 3
Substance thermoplastique : nylon B 100 comme dans l'exemple 1.
Matériau de remplissage : Poudre de mica en forme de flocons fabriquée àpartir de Mica russe pur.
Module d'élasticité en compression: 300000 kg/cm2.
Dimensions moyennes des particules: 2,5 à 50 microns.
Volume maximum partiel à l'air: 12 /o.
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remplissage: 11 /o.
Module de compression à l'état sec: 63000 kg/cm2.
Exemple 4
Substance thermoplastique : nylon B 100 comme dans l'exemple 1.
Matériau de remplissage : Poudre de cuivre en globules comme dans l'exemple 1.
Dimensions des particules entre 40 microns et 50 microns.
Volume partiel à l'air: 64 /o.
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remplissage: 61 10/o.
Module de compression à l'état sec: 175000-210000 kg/cm2.
Exemple 5
Substance thermoplastique : nylon B 100 comme dans l'exemple 1.
Matériau de remplissage : Poudre de cuivre (comme dans l'exemple 1) mais avec revêtement
d'argent.
Dimensions des particules: 50-75 microns.
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remlissage: 36 0/o.
Module de compression à l'état sec: 76000 kg/cm2.
Exemple 6
Substance thermoplastique : Ester-acide polycarbonique du 4,4-dihydroxy-diphényl-2,2-propane ( Makrolon , marque déposée).
Module d'élasticité à la compression: 22500 kg/cm2.
Dimension maximum des particules: 0,8 mm.
Matériau de remplissage : Cuivre en poudre (comme dans l'exemple 1).
Matière pour moulage : Volume partiel du matériau de remplissage: 39 0/o.
Module de compression à l'état sec: 60000 kg/cm2.