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RÉSUMÉ
Dans cet article, les concepts généraux du développement de structures sont illustrés par quatre exemples, qui correspondent à des influences différentes des paramètres de mise en forme sur la microstructure. Dans l'extrusion de film à plat, la cristallisation se produit après cessation de l'écoulement. Au contraire, dans le filage ou le soufflage de gaine, elle se produit pendant l'écoulement. Dans le procédé d'injection, des situations très différentes sont rencontrées en fonction de la localisation à l'intérieur de la pièce.
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Jean-Marc HAUDIN : Ingénieur civil des Mines - Docteur ès sciences - Professeur à MINES ParisTech
INTRODUCTION
Le développement des structures, dont les concepts généraux ont fait l’objet de l’article [AM3120], est un domaine de plus en plus important dans la mise en forme des polymères, dans le but de maîtriser les propriétés finales des produits. Par développement de structures, on désigne, au sens large, l’ensemble des phénomènes se produisant lors de la transition entre le polymère fondu initial et l’état final très souvent semi-cristallin, ce qui inclut :
-
la cristallisation, qui se produit dans des conditions complexes sur le plan géométrique (parois des outillages,) mécanique (écoulement, pression) et thermique (vitesses de refroidissement, gradients thermiques) ;
-
l’orientation ; de l’orientation de la phase fondue à l’orientation finale des phases amorphe et cristalline.
Les nombreux résultats expérimentaux obtenus dans des expériences de laboratoire, la caractérisation des produits finis ou des mesures en ligne permettent de proposer une description générale de la cristallisation des polymères dans les procédés de mise en forme. Les concepts généraux ainsi dégagés dans l’article [AM3120] sont appliqués dans cet article à quatre procédés, qui correspondent à des influences différentes des paramètres de mise en forme sur la microstructure. Ainsi, dans l’extrusion de film à plat, la cristallisation se produit après cessation de l’écoulement. Au contraire, dans le filage ou le soufflage de gaine, elle se produit pendant l’écoulement. Dans le procédé d'injection, des situations très différentes sont rencontrées en fonction de la localisation à l’intérieur de la pièce.
La simulation numérique est un outil efficace pour interpréter et prédire les phénomènes couplés intervenant dans le développement de structures. Elle passe par l’introduction d’une loi de cristallisation dans un modèle thermomécanique du procédé. L’exemple présenté ici concerne l’extrusion de film à plat.
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2. Filage
2.1 Présentation du procédé
Il existe une très grande variété de procédés de filage selon que l’on s’intéresse à des polymères fondus ou en solution, selon que le polymère est étiré et refroidi dans l’air sur grande distance ou selon qu’il est étiré dans l’air sur une courte distance et refroidi dans l’eau [AM3740]. Le procédé est présenté sur la figure 5 dans le cas simple du filage d’une seule fibre à partir de l’état fondu. Un filament de polymère fondu est extrudé à travers l’orifice d’une filière, étiré et refroidi dans l’air jusqu’à sa solidification complète. La cristallisation se produit sous les effets combinés de l’étirage uniaxial et du refroidissement. L’étirage provoque une orientation de la phase cristalline, qui a été caractérisée par les méthodes décrites dans l’article [AM3120], appliquées au cas simple d’une orientation uniaxiale.
L’exemple retenu concerne des fibres de PE produites dans des expériences de laboratoire . Bien qu’anciens, ces travaux constituent une illustration pédagogique des concepts du développement de structures.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COTTO (D.), DUFFO (P.), HAUDIN (J.M.) - Cast film extrusion of polypropylene films - . Int. Polym. Proc., 4, p. 103-113 (1989).
-
(2) - DUFFO (P.), MONASSE (B.), HAUDIN (J.M.) - Cast film extrusion of polypropylene.Thermomechanical and physical aspects - . J. Polym. Eng., 10, p. 151-229 (1991).
-
(3) - JAY (F.), MONASSE (B.), HAUDIN (J.M.) - Memory Effects in Crystallisation of Polypropylene during Cast Film Extrusion. - Int. J. Forming Processes, 1, p. 75-95 (1998).
-
(4) - LOZANO (T.), LARIA (J.), LAFLEUR (P.G.), SÁNCHEZ-VALDÉS (S.), RODRIGUEZ-GONZÁLEZ (F.), MORALES-CEPEDA (A.B.) - Beta phase in polypropylene induced by shear in a single-screw extruder - . Polym. Eng. Sci., 52, p. 1672-1677 (2012).
-
(5) - DUFFO (P.) - Étude théorique et expérimentale du procédé de fabrication de films minces de polypropylène par extrusion-biétirage - . Thèse de Doctorat, École Nationale Supérieure des Mines de Paris (1990).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Les simulations mentionnées concernent essentiellement des travaux de laboratoire, utilisant souvent des logiciels « maison ». Toutefois, certains travaux ont utilisé des logiciels commerciaux ou ont été financés par des concepteurs de codes, même si ces développements n’ont pas encore été intégrés dans les versions commercialisées. De plus, même si les logiciels commerciaux ne sont pas spécifiquement dédiés au développement de structures, ils peuvent rendre des services estimables en déterminant les conditions mécaniques et thermiques de ce développement de structures. On peut donc citer un certain nombre de logiciels utilisés en mise en forme des polymères :
POLYCAD® Software Suite http://www.polydynamics.com/
ANSYS POLYFLOW http://www.ansys.com/Products/
et spécifiquement en injection
Rem3D® http://www.transvalor.com/fr/
Autodesk®Simulation Moldflow® http://www.autodesk.fr/products/simulation-moldflow/
Cadmould® 3D-F http://www.cadflow.fr
Moldex3D http://www.moldex3d.com/
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