Passage aux pièces coulées en polyuréthane

Jun 01, 2023

Les polyuréthanes hautes performances combinent les avantages des plastiques, des métaux et de la céramique avec la résilience des pièces en caoutchouc

Bien que les ingénieurs de conception aient traditionnellement spécifié des pièces en caoutchouc, en plastique ou en acier lorsque la durabilité est requise, beaucoup envisagent une nouvelle alternative pour les applications les plus exigeantes, à forte usure, à l'abrasion et aux chocs : les polyuréthanes coulés.

Les polyuréthanes coulés, également appelés uréthanes, sont des matériaux résistants et élastiques qui combinent de nombreux avantages de performance des plastiques, métaux et céramiques de haute technologie avec la résilience et la flexibilité des pièces en caoutchouc.

Contrairement à leur homologue le plus proche, le caoutchouc, qui est préparé sous forme de feuilles ou de pains avant d'être moulé dans une presse à haute pression, les uréthanes peuvent être versés sous forme de mélange liquide dans des moules à basse pression moins coûteux.

Grâce à cette technique, des cavités de moules complexes peuvent être remplies sans moules ni presses à haute pression. Cela offre une multitude d'avantages, dont les moindres sont des coûts d'outillage et de production inférieurs à ceux du moulage du caoutchouc et du plastique, et un coût des matériaux inférieur à celui des métaux et de la céramique.

En termes de performances, les pièces en polyuréthane coulé sont souvent plus légères que les céramiques ou les alternatives métalliques et ne sont pas cassantes et ne se fissurent pas comme les plastiques sous contrainte ou à des températures extrêmes.

Les pièces en polyuréthane coulé ne sont pas nouvelles. Néanmoins, la prise de conscience du potentiel de ce type de matériau est restée largement sous le radar. Cela peut être attribué à plusieurs facteurs, dont le moindre n'est pas une compréhension générale des options et des formulations.

On ne spécifie pas simplement une pièce en polyuréthane, par exemple. Il existe de nombreuses formulations - certaines propriétaires - qui peuvent être utilisées pour manipuler une gamme de variables telles que la dureté, la résilience, la raideur du ressort et la résistance chimique.

Pour cette raison, les ingénieurs de conception intéressés par un éventuel passage au polyuréthane à partir de pièces en plastique, en acier, en céramique ou en caoutchouc sont souvent mieux servis en recherchant l'aide et les conseils d'experts en formulation d'uréthane.

Pièces personnalisées en action

Dans une étude de cas récente qui met en valeur les mérites de ces pièces, lorsqu'un constructeur naval néerlandais a eu besoin d'un nouveau revêtement de cale de halage capable d'absorber l'impact et l'abrasion d'un hors-bord sortant et entrant dans son patrouilleur hauturier par une baie arrière, il a sélectionné un polyuréthane formulé d'Argonics, l'un des plus grands producteurs américains de produits en uréthane résistant à l'usure.

La doublure en uréthane a remplacé une doublure en plastique nylon, qui avait tendance à endommager les vedettes rapides car elle était trop dure, selon Lars Muller, propriétaire de Muller-Beltex, un distributeur de pièces basé aux Pays-Bas pour diverses industries, qui a participé au projet.

"Le revêtement devait résister aux chocs, à l'abrasion, à l'eau de mer et à l'exposition aux UV tout en permettant au hors-bord de glisser dans et hors de la baie sans endommager le hors-bord ou le patrouilleur", explique Muller.

Pour maximiser la durabilité et amortir l'impact du hors-bord entrant et sortant de la baie arrière du patrouilleur hauturier,Argoniquea collaboré avec le constructeur naval néerlandais et Muller-Beltex pour concevoir une doublure de cale de halage en uréthane composée de deux couches de matériau chacune avec un duromètre différent, une mesure de dureté.

Selon Muller, Argonics a eu l'idée de créer une doublure à double duromètre pour mieux résister à l'usure et aux impacts inévitables.

"La couche supérieure plus dure de l'uréthane a plus de résistance contre les coupures et les déchirures, tandis que la couche inférieure est plus douce pour mieux résister à l'impact des bateaux à moteur", explique Muller. Il ajoute que l'expertise de l'entreprise en matière de formulation d'uréthane a aidé à optimiser le matériau pour les caractéristiques nécessaires, tout en créant des couches fortement liées qui ne se sépareraient pas.

La collaboration continue entre les trois sociétés a permis d'améliorer encore les produits. "Nous avons récemment biseauté les bords du revêtement de la cale de halage pour nous assurer qu'aucune eau de mer ou aucun sable ne puisse pénétrer derrière", révèle Muller. "Nous avons également durci l'uréthane au niveau des trous de boulons pour mieux maintenir les vis et les fixations là où elles s'adaptent au revêtement. Pour faciliter l'installation sur le terrain, nous avons ajouté des zones fraisées dans le revêtement pour correspondre aux positions exactes des trous de forage fraisés de la pièce.

"Avec l'uréthane, vous pouvez combiner résistance, résilience et durabilité à vie dans un seul produit", ajoute Muller. "L'utilisateur final est très enthousiaste à propos de la doublure de cale. L'application est maintenant pleinement acceptée par le chantier naval et un produit standard dans sa gamme de navires."

Formules propriétaires

Bien que les producteurs d'uréthane puissent créer des formulations personnalisées pour s'adapter à diverses caractéristiques telles que la dureté, la résilience et la raideur du ressort, certains ont également développé des formulations exclusives. Par exemple, Double L Global, un fabricant d'équipements de culture de pommes de terre basé aux États-Unis, s'appuie sur une formulation exclusive de polyuréthane basée sur les performances d'Argonics appelée Kryptane pour les composants utilisés pour nettoyer et trier les pommes de terre. Cela comprend des rouleaux doux, des étoiles de nettoyage rotatives et des pièces porteuses robustes.

"Les pièces en uréthane que nous utilisons vont des pièces souples et flexibles pour manipuler les pommes de terre en douceur aux composants porteurs très durs", explique Roy Withers, ingénieur chez Double L Global.

Le kryptane est un matériau extrêmement résistant à l'usure pour les applications où le glissement, l'impact, l'abrasion ou la corrosion se produit régulièrement.

Les exemples incluent les plaques résistantes aux chocs et à l'abrasion; rideaux et écrans de sablage; doublures de goulotte, de bac et de trémie ; revêtements de tuyaux, de raccords et de soupapes, tampons antivibratoires, joints et joints d'étanchéité; ainsi que des revêtements de lit de camion, des cales de roue et des coussinets de croisement.

Selon Withers, Double L Global utilise l'uréthane exclusif pour un composant récemment développé conçu pour balayer le produit d'un chemin de convoyeur.

Auparavant, le composant se composait d'une palette en polyuréthane intégrée et d'un ressort de torsion. Cependant, des problèmes survenaient souvent avec le ressort à palette intégré car les ressorts étaient enroulés de manière incohérente, ce qui donnait au composant un aspect esthétique de travers. Le désalignement signifiait aussi souvent des retouches coûteuses.

Pour créer une pièce plus esthétique et rationalisée, Withers a demandé à l'entreprise si les exigences de performance du ressort de torsion pouvaient être atteintes en réalisant la pièce entière en polyuréthane.

Pour obtenir les performances de ressort souhaitées, Withers a estimé que les deux variables de conception qu'il pouvait utiliser étaient la section transversale de la pièce et le duromètre de l'uréthane. Au départ, il a mesuré la raideur du ressort métallique dans le but de répondre aux exigences de performance. Il a ensuite développé une conception avec une section spécifiquement calculée.

L'entreprise a livré quatre prototypes de polyuréthane différents, avec la section calculée et avec différents duromètres de matériau.

Double L Global a ensuite testé physiquement les prototypes en voyant combien de force il fallait pour plier chacun et dans quelle mesure il déviait. Après quelques itérations, le duromètre et la section transversale corrects ont été identifiés et la pièce en uréthane est entrée en production. "Argonics a contribué à améliorer la fiabilité et la cohérence de la conception du balai en intégrant le ressort dans l'uréthane", explique Withers. "Maintenant, il n'y a plus de ressort métallique - tout est d'une seule pièce."

Un succès retentissant

Le composant de balayage est conçu pour être suffisamment rigide pour balayer les pommes de terre du convoyeur, mais suffisamment flexible pour se plier s'il heurte un objet dur comme un rocher.

Selon Withers, un outillage plus économique et la possibilité de remplir même des cavités de moule complexes peuvent être particulièrement utiles aux ingénieurs lors des itérations de conception, de prototypage et de test.

« Au lieu de choisir de fabriquer des pièces par moulage par injection, je choisirai souvent la méthode des pièces en uréthane coulé d'Argonics parce que je ne veux pas payer le coût élevé de l'outillage moulé par injection », dit-il. "L'uréthane est généralement beaucoup plus rentable pour nous, que ce soit pour des pièces uniques ou en plus grand volume."