Medtech : des capteurs de pression miniaturisés garantissent la qualité dans le moulage par injection de matières plastiques

La mesure directe est devenue la norme de référence pour la mesure précise de la pression dans la cavité lors du moulage par injection, où le moindre écart par rapport à la norme peut entraîner une mauvaise qualité du produit, voire des produits dangereux. Les secteurs hautement réglementés, tels que celui des technologies médicales, tirent particulièrement profit du contrôle de la qualité des produits pour sélectionner automatiquement les pièces défectueuses et optimiser les processus. Cependant, les capteurs de pression directs dans la cavité entrent en contact direct avec le matériau fondu dans la cavité, ce qui peut avoir un impact négatif sur la durée de vie des capteurs, voire les endommager. Le spécialiste de la mesure Kistler a mis sur le marché une nouvelle solution qui évite ce problème dans le moulage par injection : la mesure sans contact. Dans ce cas, les capteurs piézoélectriques mesurent la contrainte exercée par le matériau fondu injecté sur les parois du moule au lieu de la pression dans la cavité, évitant ainsi tout contact avec le matériau fondu. Cette technologie génère des valeurs précises et reproductibles et est particulièrement adaptée à l'assurance qualité des surfaces de catégorie A, des composants médicaux tels que les lentilles ou des matériaux à faible viscosité tels que le silicone liquide.

L'utilisation de capteurs de pression de cavité avancés et d'un logiciel adapté permet aux mouleurs par injection de mesurer la pression de cavité pendant tout le processus de production. En prenant un produit idéal, ils peuvent utiliser la courbe de mesure issue de sa production comme référence de qualité à laquelle tous les processus futurs seront comparés. De plus, les mouleurs par injection peuvent optimiser leurs processus de production en fonction des écarts par rapport à la courbe de mesure cible. Lorsqu'il s'agit d'une mesure directe, les capteurs et les câbles sont installés directement dans la paroi du moule (voir figure 1). L'extrémité du capteur est au même niveau que la paroi, de sorte que le plastique fondu injecté entre en contact direct avec le capteur. Le capteur peut alors mesurer les valeurs absolues de pression dans la cavité et les comparer à la courbe idéale. Si cette technologie est encore inégalée en termes de précision, elle présente toutefois certains inconvénients : par exemple, le capteur laisse une petite marque sur chaque pièce en plastique fabriquée. Bien que cette marque soit minime, en particulier lors de l'utilisation de capteurs miniatures, cela peut néanmoins poser problème pour les produits de haute précision tels que les lentilles. De plus, le contact direct du capteur de pression de cavité avec le plastique fondu lors de la mesure directe de la pression de cavité le rend sensible à la pollution. Par conséquent, l'état du capteur doit être surveillé de près et peut nécessiter un entretien et un remplacement fréquents, en particulier lors de l'utilisation de certains matériaux.

Outre la mesure directe, certaines entreprises de technologie médicale utilisent également des capteurs indirects pour mesurer la pression dans la cavité lors du moulage par injection. Contrairement aux capteurs directs, ceux-ci peuvent être installés a posteriori sur le moule, car ils sont placés derrière les broches d'éjection (voir figure 2). Cependant, cela les rend également vulnérables aux erreurs, par exemple si le trou de montage n'est pas parfaitement adapté, car trop petit ou trop grand pour le broche d'éjection. Ils peuvent également être affectés par les gaz émis par le plastique fondu. Les plastiques à faible viscosité, tels que le silicone liquide, peuvent même s'écouler dans le trou de la broche d'éjection.

Capteurs de pression de cavité sans contact : une alternative fiable aux technologies directes et indirectes dans le moulage par injection

En tenant compte de ces méthodes, Kistler a commencé à travailler sur une alternative de mesure qui fournirait des mesures précises et reproductibles, mais qui éviterait les inconvénients tels qu'un impact négatif sur les capteurs pendant le processus de moulage par injection. L'équipe de développement a mis au point une procédure qui évite complètement le contact du matériau fondu avec les capteurs de pression de la cavité, car elle mesure la déformation que la pression du matériau fondu exerce sur les parois métalliques du moule. La caractéristique la plus remarquable : bien que cette méthode de mesure sans contact ne mesure pas les valeurs absolues de la pression de la cavité, elle permet aux mouleurs par injection de tirer des conclusions précises à ce sujet. La mesure de la déformation produit une courbe de mesure très similaire à celle obtenue avec d'autres méthodes de mesure. Plus important encore : la mesure de la déformation donne des courbes reproductibles, répondant ainsi à une exigence essentielle de l'assurance qualité et des directives réglementaires.

Le principal avantage de la mesure sans contact de la pression dans la cavité par rapport à la technologie de mesure directe réside dans son positionnement : comme les capteurs ne doivent pas être en contact direct avec le plastique fondu, ils peuvent être placés à deux à quatre millimètres derrière la paroi de la cavité (voir figure 3). Par conséquent, ils ne laissent aucune empreinte sur le produit fabriqué, ce qui rend cette technologie idéale pour la production de surfaces de qualité A ou de produits de haute précision tels que les lentilles, où même la plus petite empreinte peut affecter la qualité du produit. Placés derrière la paroi, ces capteurs de pression de cavité spéciaux, ou mini-broches de mesure longitudinales, sont protégés du plastique fondu et d'autres influences telles que les gaz ou même les salissures extérieures. Cela réduit au minimum les interventions de maintenance. Les capteurs peuvent être facilement retirés pour l'entretien. Ils sont également faciles à installer grâce aux multiples points potentiels disponibles dans le moule : ils peuvent être positionnés indépendamment du sens de démoulage et ne nécessitent pas d'espace à proximité de la cavité. Ils ne nécessitent qu'un trou de montage où le capteur est positionné et réglé avec une précharge prédéfinie.

Trouver le positionnement idéal des capteurs de pression de la cavité grâce à une analyse par éléments finis

De plus, Kistler aide ses clients à trouver l'emplacement idéal en leur fournissant une analyse par éléments finis (FEA). Cela permet aux clients de trouver un emplacement adapté pour leurs capteurs et d'évaluer la distance maximale à laquelle le capteur peut être placé par rapport à la paroi du moule tout en garantissant des mesures précises. Pour la FEA, les clients envoient un modèle CAO 3D indiquant l'emplacement souhaité pour le capteur. L'équipe Kistler calcule ensuite la sensibilité effective du capteur de pression de la cavité à cet emplacement à l'aide de l'analyse par éléments finis (voir figure 4), en tenant compte à la fois de la déformation du métal et des forces latérales. Leur rapport indique alors si l'emplacement choisi permettra au capteur de mesurer avec précision la pression de la cavité ou suggère d'autres emplacements si ce n'est pas le cas.

Capteur miniaturisé (broche de mesure longitudinale) pour applications de moulage par injection dans le secteur des technologies médicales

Les capteurs Kistler ont déjà été utilisés pour mesurer la déformation dans d'autres applications, telles que l'usinage mécanique, où les capteurs de déformation sont utilisés pour mesurer les forces dynamiques ou quasi statiques sur les pièces fixes ou mobiles des machines. Lors du développement du premier capteur de déformation pour le moulage par injection, le type 9247A, Kistler a donc pu tirer parti de son expérience dans ces applications et de sa connaissance approfondie de la mesure de la pression dans la cavité. Avec une circonférence de 4,4 millimètres, le capteur 9247A est adapté à la production de pièces plastiques de grande taille et est utilisé depuis 2010 dans le moulage par injection dans l'industrie cosmétique et automobile. En se concentrant particulièrement sur les applications dans le secteur médico-technologique, Kistler a ensuite cherché à développer un capteur encore plus petit, adapté aux moules compacts utilisés pour des produits tels que les lentilles, les seringues et les EpiPen.

En conséquence, Kistler a lancé en 2018 la toute première version d'un capteur de mesure longitudinal miniaturisé piézoélectrique et, à l'automne 2022, une version mise à jour, le capteur longitudinal miniaturisé 9239B. Avec une circonférence de seulement 2,5 millimètres, ce capteur de pression de cavité modifié peut être utilisé dans des moules de petite taille ou avec un espace limité. Une différence significative entre les deux versions du capteur réside dans le cristal : alors que la version précédente du capteur utilisait un cristal de quartz, la nouvelle version est désormais équipée d'un cristal PiezoStar spécialement développé par Kistler. Cette mise à jour augmente la sensibilité du capteur de 5,9 picocoulombs par Newton (pC/N) à 27 picocoulombs par Newton (pC/N). Cela permet au capteur de mesurer de manière fiable et précise des signaux plus faibles.

Assurance qualité : l'avenir de la mesure sans contact de la pression dans la cavité lors du moulage par injection

La mesure sans contact de la pression dans la cavité à l'aide de capteurs piézoélectriques longitudinaux offre trois avantages principaux : elle ne laisse aucune trace sur les surfaces des produits fabriqués, garantit des mesures précises et nécessite peu d'entretien. C'est une excellente nouvelle pour l'assurance qualité dans le secteur des technologies médicales, où les fabricants ont besoin de systèmes de mesure de la cavité et de surveillance des processus hautement fiables dans le domaine du moulage par injection, non seulement pour fabriquer des produits de haute qualité, mais aussi pour répondre aux exigences réglementaires en matière d'assurance qualité, telles que les normes GMP aux États-Unis et MDR en Europe. Dans le cadre de la production complexe de dispositifs médicaux, la mesure directe et sans contact de la pression dans la cavité peuvent répondre à des besoins différents. Par exemple, les fabricants peuvent utiliser des capteurs de pression de cavité sans contact pour les produits de haute précision et dans les cas où il est essentiel d'obtenir une surface parfaite, tandis qu'ils peuvent continuer à s'appuyer sur la technologie de mesure directe dans les cas où les petites marques laissées sur le produit ne compromettent pas sa qualité.