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RÉSUMÉ
Cet article propose des méthodes de dimensionnement thermique des outillages d’injection thermoplastique. La puissance à fournir au moule est déterminée à partir d’une analyse des échanges de chaleur en régime moyen. Des modèles analytiques sont proposés et validés expérimentalement pour calculer le temps de refroidissement de pièces en polymères amorphes et semi-cristallins, en tenant compte d’une résistance thermique de contact entre pièce et outillage. Une conception optimale des canaux basée sur le concept de refroidissement conforme est proposée et validée sur des pièces industrielles. L’instrumentation thermique et les conditions de circulation du fluide caloporteur sont discutées.
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This article provides the mold designer with methods for the thermal design of thermoplastic injection tools. In a first step, the power to be supplied to the tool is determined from an analysis of the heat transfers in an average regime. Several analytical models are proposed and validated experimentally to calculate the cooling time of amorphous and semi-crystalline polymer parts, accounting for a thermal contact resistance between the part and the molding cavity surface. An optimal channel design strategy based on the conformal cooling concept is proposed and validated on industrial parts. The thermal instrumentation and the circulation conditions of the cooling fluid are discussed.
Auteur(s)
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Vincent SOBOTKA : Professeur des Universités - Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN) – UMR CNRS 6607, Nantes, France
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Didier DELAUNAY : Directeur de Recherche CNRS - Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN) – UMR CNRS 6607, Nantes, France
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Ronan LEGOFF : Responsable de la Ligne Programme « Usine Numérique » - IPC Centre tec0hnique de la plasturgie et des composites, Bellignat, France
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Alban AGAZZI : Responsable de la Cellule Numérique - PC Centre technique de la plasturgie et des composites, Bellignat, France
INTRODUCTION
Le procédé d’injection thermoplastique est un procédé cyclique permettant la mise en forme de pièces en polymère amorphe ou semi-cristallin, renforcé ou non. Ce procédé consiste à injecter le polymère à l’état « fondu » dans une cavité moulante thermorégulée dans laquelle la matière se solidifie tout en prenant sa forme finale. La minimisation du temps de refroidissement est une étape clé pour la rentabilité du procédé. Néanmoins, l’histoire thermique durant le refroidissement impacte directement la qualité de la pièce produite et doit donc être maîtrisée. Du point de vue du thermicien, le moule ou outillage peut être considéré comme un échangeur de chaleur en régime périodique, qu’il convient de dimensionner de façon à obtenir le refroidissement le plus uniforme possible dans le temps le plus faible. L’objectif est donc de déterminer, pour un temps de cycle minimal, la thermique de l’outillage permettant de minimiser les gradients thermiques surfaciques tout en atteignant un niveau de température dans la pièce permettant son éjection du moule. Cet article propose d’accompagner le concepteur d’outillage pour répondre à cette problématique.
La démarche consiste d’abord en une étude globale des échanges de chaleur en régime moyen afin de définir la puissance à fournir à l’outillage. Dans un deuxième temps, des modèles analytiques en une dimension permettent de calculer le temps de refroidissement de pièces en polymères amorphes et semi-cristallins. Ces modèles ne nécessitent pas l’utilisation de codes de calculs évolués et font appel à un nombre limité de paramètres. Ils intègrent un contact thermique pouvant être imparfait entre le polymère et la surface de la cavité moulante. Les résultats issus de ces modèles sont validés expérimentalement à partir d’essais réalisés sur une pièce « école » injectée dans un outillage instrumenté de capteurs de pression et de flux de chaleur.
Le temps de refroidissement obtenu pour le cas 1D est transposé au cas d’une pièce réelle 3D pour concevoir le système de régulation qui permette d’obtenir une bonne homogénéité thermique en surface de cavité moulante tout en respectant un temps minimal. Différentes stratégies d’optimisation sont proposées sans a priori sur la forme, le nombre, la position et la température des canaux de régulation du moule. Une validation expérimentale est proposée sur un cas industriel.
Finalement le choix du fluide de régulation est proposé de même que la métrologie en flux thermique à implanter dans un outillage d’injection thermoplastique.
L’objectif de cet article est d’accompagner l’ingénieur à déterminer de façon rapide et sans avoir recours à un code de calcul, le temps de refroidissement d’une pièce réalisée par le procédé d’injection thermoplastique et d’associer ainsi un coût à la production de cette pièce. Le concepteur devrait également être en mesure et réaliser un positionnement des canaux de régulation de façon optimale pour atteindre ce temps sur une pièce complexe.
MOTS-CLÉS
Polymères thermoplastiques Dimmensionnement thermique Résistance thermique de contact Canaux Moules
KEYWORDS
thermoplastics polymers | thermal design | thermal contact resistance | channel | moulds
DOI (Digital Object Identifier)
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7. Métrologie thermique dans un moule d'injection : les capteurs de flux
L'instrumentation des outillages d'injection est essentielle dans la maîtrise du procédé. En effet, la mesure des pressions et des températures lors de la mise en forme est le point de départ d'un travail d'analyse et de compréhension approfondi des problèmes du procédé d'injection moulage. Ces mesures apportent des informations très pertinentes sur les conditions de transformation en regard de la conception de l'outillage. De nombreux phénomènes peuvent alors être mis en évidence avec une instrumentation adéquate :
-
perte de charge excessive dans le système d'alimentation (carotte, bloc chaud…) ;
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figeage prématuré des seuils d'injection ;
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déséquilibre du remplissage des empreintes ;
-
mouvement mécanique anormal ;
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anomalies thermiques (inertie de l'outillage, hétérogénéité, régulation…).
Les mesures de flux thermiques pour des applications industrielles ont longtemps été délaissées au profit de mesures simples de température via des thermocouples. Cependant, la température ne fournit aucune information sur la façon dont la chaleur est transférée au sein de la pièce, mais également entre la pièce et l’outillage. Si l'on considère l'analogie électrique, aucun électricien n'utiliserait la tension (équivalent à la température) sans tenir compte du courant (équivalent au flux de chaleur) pour la conception du circuit. Le flux de chaleur est bien l'information pertinente qui quantifie le transfert de chaleur dans le procédé et qui permet de détecter les phénomènes suivants :
-
la quantification de l’énergie cédée par la pièce lors du refroidissement et la détermination de la température moyenne à l’éjection ;
-
la quantification de la qualité de contact entre la pièce et la paroi de la cavité de moulage et la détection des problèmes liés au manque de matériau ou au décollement dus au retrait ;
-
la mesure de la température de surface de la cavité moulante.
Les capteurs de flux de chaleur utilisés pour instrumenter les outillages du procédé d’injection thermoplastique sont des capteurs conductifs. Le flux de chaleur est déduit des mesures de température à l'intérieur du capteur. L’élément sensible du capteur...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - XU (H.), KAZMER (D.) - A stiffness criterion for cooling time estimation. - IPP, vol. 14, N° 1, pp. 103-108 (1999).
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(2) - DELAUNAY (D.), LE BOT (P.), FULCHIRON (R.), LUYÉ (J.-F.), RÉGNIER (G.) - Nature of contact betwween polymer and mold. Part 1 : influence of a non-perfect thermal contact. - Polymer Engineering and Science, vol. 40, No. 7, pp. 1682-1691 (2000).
-
(3) - DELAUNAY (D.), LE BOT (P.), FULCHIRON (R.), LUYÉ (J.-F.), RÉGNIER (G.) - Nature of contact betwween polymer and mold. Part 2 : influence of mold deflection on pressure history and shrinkage. - Polymer Engineering and Science, vol. 40, No. 7, pp. 1692, 1700 (2000).
-
(4) - BERGMAN (T.L.), LEVINE (A.S.), INCROPERA (F.P.), DEWITT (D.P.) - Fundamentals of Heat and Mass Transfer. - 7th Edition, John Wiley and Sons, Chapter 9, pp. 604-610 (2011).
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(5) - MOUSSEAU (P.), SARDA (A.), DETERRE (R.) - Thermique de l’injection des thermoplastiques. Optimisation. - Techniques...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Modélisation de l’injection – Remplissage des moules. Matériaux.
-
Modélisation de l’injection – Compactage et contraintes résiduelles. Matériaux.
-
Thermique de l’injection des thermoplastiques. Fondements. Matériaux.
-
Thermique de l’injection des thermoplastiques. Optimisation. Matériaux.
-
Moules pour l’injection des thermoplastiques – Généralités et périphériques. Matériaux.
-
Moules pour l’injection des thermoplastiques – Conception et réalisation. Matériaux.
ANNEXES
A. Agazzi, V. Sobotka, R. Le Goff, D. Garcia, and Y. Jarny, « Procédé MCOOL : Procédé pour former des canaux dans un outillage, outillage formé avec un tel procédé et produit, Programme d’ordinateur réalisant un tel procédé » FR 2976201, 2011.
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