Présentation
Auteur(s)
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Michel CHATAIN : Ingénieur IDN (Institut industriel du Nord) - Docteur ès sciences physiques - Ancien professeur à l’École nationale supérieure d’arts et métiers de Paris (ENSAM)
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Alexandre DOBRACZYNSKI : Ingénieur mécanicien de l’université catholique de Louvain - Docteur de l’université de Paris - Ancien ingénieur d’assistance technique au Centre d’étude des matières plastiques (CEMP) - Ingénieur-conseil
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’injection des matières thermoplastiques utilise une presse à injection (décrite dans l’article [A 3 690]) sur laquelle est monté un moule d’injection qui fait l’objet du présent article.
La presse permet, dans un cylindre d’injection où la matière est chauffée par conduction et par cisaillement (vis-piston), de plastifier le polymère qui se présente dans la trémie d’alimentation sous forme de granulés.
La presse permet en outre de fermer le moule avant l’injection, de le maintenir fermé pendant son remplissage en assurant le maintien de la pression qui atteint couramment 150 MPa.
Pendant le cycle, le plastique fondu se refroidit en passant de la température d’injection (le plus souvent voisine de 200 oC ou supérieure) à une température proche de celle du moule, à laquelle l’objet devient solide.
Nous essaierons de montrer pourquoi les plastiques (en particulier les polymères cristallins), qui possèdent des coefficients de dilatation thermique volumique relativement élevés par rapport aux autres matériaux, ne présentent pas au démoulage le retrait que l’on pourrait craindre.
Par ailleurs, l’écoulement dans le moule, qui dépend de la géométrie des seuils d’alimentation et de la morphologie de l’empreinte, va avoir des conséquences directes sur la macrostructure du polymère : son orientation moléculaire, son anisotropie, sa cristallinité.
Les auteurs remercient particulièrement Henryk ZAWISTOWSKI pour l’apport considérable au présent article de son ouvrage cité en référence [12], et son autorisation de reproduction de nombreuses illustrations.
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1. Écoulement dans un moule : caractéristiques
1.1 Généralités
Les polymères fondus sont des fluides visco-élastiques compressibles. Leur écoulement pendant l’injection est généralement non isotherme, sauf dans les canaux chauds.
Le moule est maintenu à une température inférieure à la température de transition vitreuse Tv pour les polymères amorphes et inférieure à la température de fusion Tf pour les polymères cristallins. Des transferts thermiques existent donc entre les parois et le polymère qui est à la température d’injection à l’entrée du moule et au centre de la veine. Par ailleurs, les contraintes de cisaillement entraînent une augmentation de température, sensible, là où le gradient de vitesse est important.
Les conditions thermorhéologiques sont très différentes dans l’empreinte et dans les canaux. Dans la première, la section d’écoulement varie rapidement entre la sortie du canal d’alimentation appelée carotte (de l’ordre de 1 cm2) et la section de l’empreinte (2 πrh dans le cas d’une pièce d’épaisseur h à une distance r de son point central d’alimentation). La vitesse moyenne dans chaque section considérée est donc très variable.
Dans les canaux qui alimentent un moule à empreintes multiples, la vitesse moyenne reste constante et très grande tant que la matière fondue n’a pas atteint une bifurcation ou l’entrée de l’empreinte.
Nous verrons plus loin 4.2 que ces canaux, généralement refroidis comme l’empreinte, peuvent être chauffés, ce qui modifie évidemment les transferts thermiques.
Enfin, en fonction du polymère injecté et /ou du choix des conditions d’injection, on peut alimenter un moule mono-empreinte ou bien des empreintes multiples avec des entrées dont le diamètre ou la dimension moyenne est du même ordre que l’épaisseur de la pièce (entrée large ), ou...
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