Modélisation de l’injection des polymères - 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 (ou même moins pour la micro-injection) jusqu’à plusieurs kilogrammes. On injecte selon des techniques présentant des similitudes des polymères thermoplastiques, des polymères thermodurcissables et des élastomères. Une différence importante concerne les températures : le polymère thermoplastique « chaud » (entre 200 °C et 300 °C le plus souvent) est injecté dans un moule « froid » (entre 20 °C et 80 °C), tandis que les thermodurcissables et les élastomères « froids » (20 °C à 80 °C) sont injectés dans un moule « chaud » (150 à 200 °C), qui va activer la réaction de polymérisation ou de vulcanisation. Cet article est centré sur les polymères thermoplastiques, mais 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.

Rappelons les différentes phases du cycle d’injection des thermoplastiques :

• le polymère est fondu dans un système de plastification vis-fourreau, par rotation et recul de la vis. Un volume de matière est accumulé en tête de vis. C’est la phase de dosage ;

• ce polymère est injecté à fort débit dans la cavité en imposant la vitesse de translation de la vis-piston : c’est la phase de remplissage ;

• après la commutation qui est très proche de la fin du remplissage, la presse est régulée en pression imposée sur la vis et une quantité additionnelle de matière est injectée pour compenser le retrait dû au refroidissement. C’est la phase de compactage-maintien, dont la modélisation est décrite dans l’article [AM 3 696] ;

• la pièce continue son refroidissement dans le moule, puis, après éjection hors du moule, c’est la phase de refroidissement. C’est pendant le refroidissement dans le moule qu’une nouvelle phase de dosage a lieu.

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 trois dernières questions seront abordées dans [AM 3 696]. Les calculs thermiques de l’outillage constituent une aide efficace à la définition des canaux de régulation. Ces aspects sont traités dans les articles [AM 3 684], [AM 3 685] et [AM 3 687].

Le présent article aborde 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. Deux d’entre elles sont utilisées dans les logiciels commerciaux de conception des outillages. L’article montre les points importants qui peuvent aider à sélectionner ces logiciels et estimer leurs limites théoriques.