Écoulements en couche mince : modèle de Hele-Shaw
Modélisation de l’injection - Remplissage des moules

Le procédé d’injection permet de produire à grande cadence, avec une grande régularité, et de façon automatique, des pièces de formes complexes, dont la masse varie de l’ordre du gramme jusqu’à plusieurs kilogrammes. On injecte selon des techniques présentant de grandes similitudes, des polymères thermoplastiques, des polymères thermodurcissables, et des élastomères. Les différences principales concernent les températures : le polymère thermoplastique « chaud » (entre 200 et 300 ˚C le plus souvent) est injecté dans un moule « froid » (entre 20 et 80 ˚C), tandis que les thermodurcissables et les élasto-mères « froids » (20 à 80 ˚C) sont injectés dans un moule « chaud » (environ 200 ˚C), qui va activer la réaction de polymérisation ou de vulcanisation.

Cet article et le suivant sont centrés sur les polymères thermoplastiques. Cependant, en ce qui concerne la phase de remplissage de la cavité, les calculs pourront être transposés aux matériaux réactifs, lorsque la polymérisation ne s’active pas pendant le remplissage de la cavité, qui est généralement très bref. Dans le cas de matériaux fortement réactifs, il faut tenir compte de l’influence de la polymérisation sur la viscosité [15], et éventuellement sur la température (la réaction est exothermique) [20].

Rappelons les différentes phases du cycle d’injection (figure A) :

• le polymère est fondu dans un système de plastification vis-fourreau, et une dose de matière est accumulée en tête de vis ;

• ce polymère est injecté à fort débit imposé dans la cavité : c’est la phase de remplissage ;

• après commutation, une pression est imposée sur la vis, et une certaine quantité de matière est injectée pour compenser le retrait dû au refroidissement. C’est la phase de compactage-maintien, qui dure généralement jusqu’à ce que la matière soit figée dans les canaux d’alimentation ;

• la pièce finit de se refroidir dans le moule, puis, après éjection, hors du moule. C’est la phase de refroidissement.

Nous aborderons les modélisations relatives à l’injection des polymères de façon progressive. Nous commencerons dans le présent article par la modélisation de l’écoulement pendant la phase de remplissage. Nous verrons trois approches permettant de prendre en compte des géométries de plus en plus générales. Nous aborderons dans l’article [AM 3 696] « Modélisation de l’injection. Compactage et contraintes résiduelles » l’écoulement pendant la phase de compactage, qui est primordial pour la qualité de la pièce. Enfin, nous nous tournerons vers l’étude de l’évolution du polymère à l’état solide, avec la construction des contraintes et déformations résiduelles consécutives au refroidissement. Nous ne parlerons pas dans ces articles de calcul thermique de l’outillage, qui constitue une aide efficace à la définition des canaux de régulation.

Les calculs relatifs au procédé d’injection permettent de répondre aux questions suivantes.

• La cavité sera-t-elle entièrement remplie avant solidification du polymère ?

• Le remplissage sera-t-il équilibré, le remplissage s’achèvera-t-il en même temps dans les différentes régions de l’empreinte ?

• Où faudra-t-il placer d’éventuels évents ?

• Les lignes de soudure éventuelles, sources de faiblesse mécanique et de défaut d’aspect, seront-elles placées dans des régions où elles sont le moins gênantes ?

• Comment placer et dimensionner les seuils pour que ce soit le cas ?

• Y aura-t-il échauffement excessif entraînant la dégradation du matériau ?

• Quelle force de fermeture de presse faut-il ?

• Le compactage va-t-il compenser les retraits, et ce de façon homogène ?

• Quel sera le poids de la pièce ? La densité sera-t-elle homogène ?

• Quelle sera la géométrie de la pièce après éjection, compte tenu des contraintes et déformations résiduelles ?

Les calculs donnent aussi des informations sur la thermique et la mécanique, qui permettent de répondre à d’autres questions, comme l’orientation des macromolécules, les structures cristallines induites par l’écoulement, l’orientation de fibres de renfort...

La modélisation est complexe à plus d’un titre :

• la géométrie est généralement très complexe : surfaces gauches, variations brusques de largeur, d’épaisseur, moules multiempreintes... ;

• la thermomécanique des écoulements de polymère à l’état fondu est complexe ;

• il y a coexistence de deux phases liquide et solide, dont les comportements sont très différents.

Malgré tout, on trouve différents logiciels commerciaux qui sont utilisés de plus en plus fréquemment pour concevoir des outillages. Nous verrons les points importants pour sélectionner ces logiciels, et leurs limites théoriques. Il est toujours bon, mais pas toujours facile à réaliser, de les tester pratiquement en les comparant à des mesures réalisées sur presse et moule instrumentés.

Les auteurs tiennent à citer les collaborateurs et chercheurs du Centre de mise en forme des matériaux de l’École des mines de Paris dont les travaux ont contribué à ce texte : H. Allès, T. Coupez, B. Magnin, S. Philipon, E. Pichelin, G. Schlatter, J.-L. Willien.