Présentation

Article

1 - MOULE : UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR

2 - COUPLAGE ENTRE LA PIÈCE ET LE MOULE

3 - TRANSFERTS COUPLÉS AU SEIN DE LA PIÈCE

4 - MODÈLE SIMPLIFIÉ POUR LE DIMENSIONNEMENT THERMIQUE DU MOULE

5 - DIMENSIONNEMENT THERMIQUE DU MOULE SUR LA BASE D’UN MODÈLE OPTIMAL

6 - CHOIX DU FLUIDE DE RÉGULATION

7 - MÉTROLOGIE THERMIQUE DANS UN MOULE D'INJECTION : LES CAPTEURS DE FLUX

8 - CONCLUSION

9 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : AM3687 v1

Modèle simplifié pour le dimensionnement thermique du moule
Optimisation thermique des outillages d’injection thermoplastique

Auteur(s) : Vincent SOBOTKA, Didier DELAUNAY, Ronan LEGOFF, Alban AGAZZI

Date de publication : 10 juin 2018

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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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ABSTRACT

Thermal optimization of thermoplastic injection moulds

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)

  • Vincent SOBOTKA : Professeur des Universités - Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN) – UMR CNRS 6607, Nantes, France

  • Didier DELAUNAY : Directeur de Recherche CNRS - Laboratoire de Thermique et Énergie de Nantes (LTeN) – UMR CNRS 6607, Nantes, France

  • Ronan LEGOFF : Responsable de la Ligne Programme « Usine Numérique » - IPC Centre tec0hnique de la plasturgie et des composites, Bellignat, France

  • 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.

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KEYWORDS

thermoplastics polymers   |   thermal design   |   thermal contact resistance   |   channel   |   moulds

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3687


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4. Modèle simplifié pour le dimensionnement thermique du moule

4.1 Modèle analytique pour les polymères amorphes

Le temps de refroidissement d’une plaque de polymère amorphe d’épaisseur 2e peut être calculé à partir de l’équation unidimensionnelle de conduction. À l’instant initial, la température est supposée constante et égale à la température d’injection T inj. Cette hypothèse forte est valide dans le cas de la pièce modèle utilisée dans cet article. La démarche reste strictement identique en considérant une température initiale pour le polymère supérieure à cette température qui tiendrait compte de l’auto-échauffement pendant l’injection. Le transfert est considéré symétrique au centre de la pièce. À la surface du polymère, le contact peut être choisi parfait avec une température imposée à la température moyenne de surface du moule ou imparfait avec une résistance thermique de contact RTC. Dans chacun des cas, les solutions analytiques  du champ de température s’expriment sous la forme de série dont seul le premier terme est pris en compte pour des raisons de simplification. La série est identique à son premier terme pour des temps t tels que :

avec :

ap
 : 
diffusivité thermique du polymère,
e
 : 
demi-épaisseur du polymère.

Pour une pièce dont l’épaisseur est faible, un premier critère d’éjection est utilisé, considérant la température au centre de la pièce comme température d’éjection T ejec...

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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).

  • (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).

  • (5) - MOUSSEAU (P.), SARDA (A.), DETERRE (R.) -   Thermique de l’injection des thermoplastiques. Optimisation.  -  Techniques...

1 Brevets

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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2 Outils logiciels

CADFlow

https://www.cadflow.fr

Moldex3D

http://www.moldex3d.com

Moldflow

https://www.autodesk.fr

REM3D

http://www.transvalor.com

Sigmasoft :

http://www.sigmasoft.de/

Solidworks Plastics

http://www.solidworks.fr

Visi Flow

http://www.visicfao.fr

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