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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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4. Injection
4.1 Présentation du procédé
Dans le procédé d’injection, le polymère fondu est injecté sous pression dans un moule, régulé à une température bien inférieure à la température d’injection du polymère (figure 17) [AM3695]. Durant cette phase de remplissage, l’écoulement du polymère liquide provoque l’orientation et la déformation des macromolécules. Au contact avec la paroi du moule, une couche de polymère se solidifie très rapidement, et il existe un important gradient thermique à ce niveau. On peut également supposer qu’entre cette couche solidifiée et le polymère liquide, une couche supplémentaire est susceptible de cristalliser sous l’effet de l’écoulement. Lorsque le moule est rempli, le polymère liquide est maintenu sous pression pour compenser les variations de volume au cours du refroidissement : c’est la phase de compactage. Le polymère continue de cristalliser sous pression et sous l’influence d’un écoulement beaucoup plus faible, mais à plus basse température. Quand le seuil est figé, le reste de la cristallisation se produit en conditions statiques, à partir d’un état fondu dans lequel s’est produite une certaine relaxation de l’orientation et de la déformation des macromolécules.
Le développement de structures dans ce procédé est donc particulièrement compliqué, et l’on peut s’attendre à trouver une microstructure hétérogène, à la fois le long de l’écoulement et dans l’épaisseur des pièces injectées. Cela signifie qu’une étude fine de cette microstructure est nécessairement locale, et que localement, la microstructure finale observée est le résultat d’une histoire thermomécanique complexe.
HAUT DE PAGE4.2 Analyse de résultats expérimentaux typiques
Considérons...
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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).
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(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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