Les pièces moulées en quartz synthétique pourraient-elles améliorer les performances des machines ?

Terry Capuano, Î.-P.-É. | 12 mai 2023

Les matériaux traditionnels tels que la fonte, les soudures en acier et les pièces moulées en acier inoxydable et en aluminium sont utilisés pour les principales structures de base des machines-outils, des machines de mesure et des équipements de prise et de placement. Les liants à copeaux imposent des limites à la précision de cet équipement en raison de leur manque de stabilité et de leurs caractéristiques de transmission de vibrations élevées. Le remplacement préféré de ces matériaux est les moulages composites en quartz synthétique (SQ). Des machines de tous types sont repensées pour remplacer les structures métalliques par des pièces moulées SQ afin de réduire les coûts, de réduire les délais, d'améliorer les performances de la machine, d'éliminer la peinture, d'améliorer la résistance aux liquides de refroidissement agressifs et de réduire la consommation d'énergie pour produire la structure. Ces pièces moulées sont également utilisées à la place de l'acier inoxydable pour la transformation des aliments et les bases de pompes chimiques.

Il a fallu 20 millions d'années pour produire du quartz de haute pureté avec une dureté MOHS de 8. Ce quartz devient 92% d'un mélange SQ typique. Le reste du composite est généralement une résine liquide à haute résistance, telle que l'époxy, le polyuréthane ou le méthacrylate de méthyle avec des additifs pour l'adhérence des agrégats et la libération d'air.

Les pièces moulées SQ consomment 85 % moins d'énergie totale pour produire que la fonte et coûtent moins cher, et elles peuvent souvent être produites aux tolérances finies en quelques jours. Ils peuvent être coulés en couleur et offrent une excellente résistance chimique. Les caractéristiques supérieures d'amortissement des vibrations des pièces moulées SQ permettent aux machines de fonctionner à des vitesses plus élevées avec une plus grande précision et à un niveau de bruit réduit.

Des revendications empiriques de 30 % à 50 % de durée de vie plus longue de l'outil de coupe/de la meule ont été rapportées. Une durée de vie plus longue de l'outil de coupe signifie moins de temps d'arrêt et un coût d'outil réduit pour l'utilisateur final. L'usure rapide de l'outil peut entraîner l'usinage de pièces hors tolérances au cours d'un cycle de production. La finition de surface des pièces usinées, la tolérance, la vitesse de production et la durée de vie de l'outil sont directement liées à la quantité de vibrations transmises dans le système.

Les pièces moulées SQ sont moins chères à produire, avec un temps de production typique de plusieurs jours car elles peuvent souvent être coulées selon des tolérances finies ou ensuite reproduites selon des tolérances très précises. Ils peuvent être moulés en couleur, éliminant ainsi la peinture et les nombreuses réglementations de peinture EPA associées.

Le moulage SQ a remplacé un moulage en aluminium de 36 po x 72 po x 6 po à la moitié du coût, coulé à une planéité de 0,001 po et un délai de livraison réduit de 3 mois à 1 semaine.

Les caractéristiques d'un SQ correctement produit comprennent :

Bien que les pièces moulées SQ puissent être fabriquées à l'aide d'uréthane ou de résines de méthacrylate de méthyle (acrylique), l'époxy est le système de résine le plus couramment utilisé. L'époxy offre une résistance élevée et une excellente stabilité à long terme et est facile à manipuler. Il peut également être utilisé dans des applications de contact alimentaire en remplacement de l'acier inoxydable.

L'époxy est une formulation stoechiométrique et nécessite un dosage précis de la résine à l'agent de durcissement. Un mauvais mélange, avec trop ou trop peu d'agent de durcissement, peut entraîner une masse non durcie pendant des années. Il est également important de sélectionner le bon système de résine époxy pour la viscosité, le taux de durcissement, la stabilité, la résistance et le coût corrects. La formulation peut être modifiée pour fournir un durcissement très rapide ou être ralentie pour prendre plusieurs heures lors de la coulée d'une grande masse afin de réduire l'exothermie.

Bases de colle à copeaux avec dessus coulé à 0,001 po de planéité et perpendiculaire à un côté à moins de 0,001 po.

Pour produire le bon mélange SQ, le système doit prendre en compte :

La première chose qu'un concepteur doit faire est d'oublier à peu près toutes les règles empiriques qu'il connaît sur la conception de la structure de la machine. Ils doivent réfléchir librement aux fonctionnalités qui produiraient la meilleure structure pour leur application. Et ils ne devraient plus être contraints à des épaisseurs de paroi constantes. L'épaisseur des murs peut aller de 1 à 12 po dans la même zone sans conséquence négative. Des tubes en plastique ou des conduites hydrauliques peuvent être coulés dans la base, de sorte qu'il n'y aurait plus de lignes de roulement autour de l'extérieur de la base sur la chaîne de montage.

Moule montrant 161 lignes de vide coulées dans la pièce.

L'une des pièces les plus difficiles jamais moulées est un tambour de 18 pouces de diamètre, à 270°, avec onze rainures sous vide de 1 mm de profondeur. (Veuillez voir l'image en haut de la page.) Ce moulage a un TIR de 0,001 sur l'alésage. Les rainures sous vide se terminent 25 mm avant chaque extrémité, de sorte que l'outillage doit être retiré de la pièce - il ne peut pas être tourné. Chaque rainure sous vide sort par l'arrière du moulage vers un collecteur. Les pièces peuvent être produites en deux jours, ce qui prendrait plusieurs mois à produire en tant que pièce en fonte ou en fonte d'aluminium, et la coulée SQ coûte une fraction de toute autre méthode.

Les pièces qui doivent être séparées en tant que pièces métalliques peuvent désormais être moulées en une seule pièce, ce qui permet de gagner du temps d'assemblage, mais également de réduire la tolérance requise des composants.

L'autre caractéristique de conception disponible uniquement à l'aide de cette technologie est la possibilité de couler des pièces à la tolérance. Les surfaces peuvent être moulées avec une planéité, des diamètres de trou et des emplacements précis. Une fois qu'un moule a été vérifié, les dimensions de la coulée seront toujours les mêmes, ce qui réduit l'inspection. Les surfaces de chemin peuvent même être moulées à la tolérance ou reproduites avec précision.

Les trous taraudés sont des inserts filetés coulés en place. Les trous taraudés ne peuvent pas être manqués ou non filetés car chaque insert fileté est maintenu au moule en insérant un boulon à couler dans la pièce.

Une autre caractéristique unique de SQ est la possibilité de mouler des surfaces avec des propriétés différentes dans le même moulage. Un fabricant de rectifieuses coule des surfaces à faible frottement sur leur chariot transversal lorsque la pièce est coulée. Cette surface offre une excellente usure à long terme et un très faible frottement.

Base de broyeur avec surfaces de rail linéaires sur les axes X et Y répliquées à 0,0001 po/pi.

Les systèmes de drainage peuvent être coulés à l'aide de tuyaux en PVC standard. Des noyaux en mousse peuvent être moulés pour réduire le poids avec peu d'impact sur la rigidité. En raison de l'excellente résistance chimique du SQ, les réservoirs peuvent être moulés dans le cadre de l'assemblage et le SQ peut être utilisé à la place de l'acier inoxydable dans de nombreuses applications.

Les pièces qui ne peuvent pas être coulées selon la tolérance peuvent avoir des surfaces de précision créées après coulée par réplication. Dans ce processus, un maître précis est créé qui sera utilisé pour créer la surface de précision. Le matériau de réplication est ensuite appliqué et le maître précis est situé contre le moulage à une distance prédéfinie. Après durcissement, généralement 24 heures, le maître est retiré et la surface créée est une copie exacte du maître. Il peut s'agir d'une surface de guidage de précision pour le montage de rails ou d'une surface à faible frottement pour un contact direct avec une glissière en mouvement.

Le tableau ci-dessous présente les propriétés de base du matériau CASTINITE HS Standard Mix SQ :

Les moulages SQ sont produits à température et pression ambiantes, de sorte que les moules peuvent être en bois, en fibre de verre, en tôle, en acier ou en plastique. Les moules en bois sont les moins chers mais ne produiront pas de pièces précises sans recourir à une opération secondaire. Si les moules en bois sont conçus, fabriqués et traités correctement, ils peuvent produire de nombreux moulages. S'ils ne sont pas conçus correctement ou s'ils ne sont pas manipulés correctement lors de la coulée, ils formeront une mauvaise pièce.

Moule en bois (gauche) pour base de broyeur 45 000 lb LB (droite).

Pour produire une quantité de pièces moulées précises avec des tolérances serrées, des outils de production d'acier sont nécessaires. Avec des moules en acier correctement conçus, les pièces peuvent être coulées selon les tolérances sans opérations secondaires, les temps de production seront plus courts et les pièces auront une bien meilleure finition de surface.

Les moulages SQ ont trouvé une utilisation dans de nombreuses autres applications, notamment les comptoirs, les pierres tombales, les drains de tranchée et les bases de pompes chimiques. La NASA les a testés pour une utilisation dans le stockage de l'énergie.

Si vous cherchez à réduire vos coûts, à réduire votre empreinte carbone et à améliorer les performances de votre machine, SQ peut être la réponse.

Plus d'informations sur les formats de texte