Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La simulation numérique du procédé d’injection constitue une aide efficace pour la conception des moules. La première étape est le remplissage. La modélisation consiste à coupler les équations de l’écoulement visqueux et l’équation de la chaleur. Après un rappel des hypothèses et des équations, l’article présente une résolution dite 1,5D, analytique en isotherme, numérique en anisotherme. Ensuite seront présentés les modèles 2,5D ou Hele-Shaw, s’appuyant sur les hypothèses d’écoulement en couche mince puis les modèles 3D, très utiles pour les géométries massives ou complexes. Des exemples de résultats sont présentés dans chaque cas.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
Numerical simulation of the injection process is an effective aid for mold design. The first step is cavity filling. The modeling consists in coupling the viscous flow and heat transfer equations. After a reminder of the hypotheses and the equations, the article presents a resolution called 1,5D, analytical in isothermal conditions, numerical in non-isothermal conditions. Then, 2,5D or Hele-Shaw models based on the thin layer flow hypotheses followed by 3D models, useful for massive or complex geometries, will be presented. Sample results are presented in each case.
Auteur(s)
-
Michel VINCENT : Directeur de recherche au CNRS - Responsable de recherche à MINES ParisTech, PSL Research University - CEMEF, UMR CNRS 7635, Valbonne Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
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.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
polymer | filling phase | viscous flow | injection molding
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 2000 par Jean-François AGASSANT, Michel VINCENT
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
Un cas d’école : le disque injecté par le centre
En anglais
1. Phase de remplissage : spécificités et équations à résoudre
1.1 Spécificités de la phase de remplissage
Il y a progression du front de matière, dont il faut déterminer à chaque instant la position. Le temps de remplissage est court, de l’ordre de la seconde, donc les débits d’injection sont élevés, de l’ordre de 100 à 1 000 cm3/s. En combinaison avec la forte viscosité des polymères, la dissipation d’énergie est donc importante et la température de la matière peut augmenter localement malgré le refroidissement du moule. De plus les pressions sont élevées, de l’ordre de plusieurs dizaines voire centaines de mégapascals.
Les polymères étant peu conducteurs de la chaleur, la température à cœur est proche de la température d’injection, tandis qu’à la paroi, elle est proche de la température de l’acier. La viscosité des polymères dépendant fortement de la température, il faut évaluer avec précision les gradients thermiques et coupler étroitement les calculs mécaniques et thermiques.
HAUT DE PAGE1.2 Principales hypothèses
Le polymère est supposé avoir un comportement purement visqueux. En effet, on peut négliger la composante élastique du comportement si les déformations de cisaillement sont prépondérantes. C’est le cas de nombreuses pièces dont l’épaisseur est assez régulière. Cependant, il existe toujours des régions, souvent localisées, comme les seuils, où les déformations élongationnelles sont non négligeables et où l’approximation purement visqueuse n’est plus licite.
Les données de viscosité sont disponibles pour différents taux de cisaillement et différentes températures, mais il faut les interpoler et surtout les extrapoler en dehors du domaine de mesure (forts taux de cisaillement). Un lissage en loi puissance permet d’obtenir des résolutions analytiques dans un certain nombre de situations d’écoulement simples, mais il est préférable d’employer une loi permettant de rendre compte d’un plateau newtonien à bas taux de cisaillement, comme la loi de Carreau ...
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Phase de remplissage : spécificités et équations à résoudre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CARREAU (P.J.) - Rheological equations from molecular network theories. - Trans. Soc. Rheol. Volume 16, pages 99-127 (1972).
-
(2) - YASUDA (K.Y.), ARMSTRONG (R.C.), COHEN (R.E.) - Shear flow properties of concentrated solutions of linear and star branched polystyrenes. - Rheol. Acta. Volume 20, pages 163-178 (1981).
-
(3) - MAGNIN (B.) - Modélisation du remplissage des moules d'injection pour polymères thermoplastiques par une méthode Eulerienne-Lagrangienne arbitraire. - Thèse de Doctorat, École des Mines de Paris (1994).
-
(4) - AGASSANT (J.F.), AVENAS (P.), SERGENT (J.P.), VERGNES (B.), VINCENT (M.) - Mise en forme des polymères, approche thermomécanique de la plasturgie. - Lavoisier Tec&Doc (2014).
-
(5) - WILLIAMS (M.L.), LANDEL (R.F.), FERRY (J.D.) - Temperature dependence if relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass forming liquids. - J. Am. Chem. Soc. Volume 77, 3701-3706 (1955).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Autodesk Moldflow®, 111 McInnis Parkway, San Rafael, CA 94903, USA
Cadmould® 3D-F, SIMCON, Schumanstraße 18a, 52146 Würselen, Allemagne
Moldex3D, CoreTech System Co., Ltd. Headquarters, Tai Yuen Hi-Tech Industrial Park, 8F-2, No. 32, Taiyuan St., Chupei City, Hsinchu County 302, Taiwan
REM3D®, TRANSVALOR S.A., Parc de Haute Technologie – Sophia Antipolis, 694 Avenue du Dr. Maurice Donat, 06255 MOUGINS cedex, France
SIGMASOFT®, SIGMA Engineering GmbH, Kackertstr. 11, 52072 Aachen, Allemagne
HAUT DE PAGE
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
