Moule : un échangeur de chaleur
Optimisation thermique des outillages d’injection thermoplastique

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.