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Tout savoir sur la simulation de l'injection plastique

La rédaction
Tout savoir sur la simulation de l'injection plastique

Afin d’être optimisée, l’injection de matière plastique nécessite des calculs rigoureux. L’étude des contraintes s’exerçant sur une matière, ou rhéologie, permet de prévoir les forces et les faiblesses d’une pièce polymère, lors de sa phase de conception. Ronan Le Goff, responsable Industrie 4.0 au Centre technique industriel de la plasturgie et des composites (IPC), Armelle Chenu, ingénieur au CTI de la plasturgie et Eric Pauzé, responsable simulation au CTI de la plasturgie présentent les enjeux de la R&D dans ce secteur.

 

Branche de la mécanique dédiée à l’étude des contraintes et des déformations des matériaux, la rhéologie occupe une place importante en plasturgie. À tel point que ce terme est associé, par abus de langage, à la simulation du procédé d’injection de matière plastique. Celui-ci occupe une place majeure dans le développement des produits, et les outils de simulation se sont démocratisés. Le comportement rhéologique du polymère est désormais mieux connu. La modélisation prend en compte davantage de données physiques. Cette meilleure compréhension du comportement de la matière influe directement sur les caractéristiques de la pièce finie et le mode de fabrication utilisé.

1. Injection
La mise en forme des pièces plastiques

Le moulage par injection permet de fabriquer, en une seule opération, des pièces 3D fonctionnelles. Les principales étapes du cycle d’injection sont la plastification, le remplissage, le maintien et le refroidissement. La première étape consiste à malaxer le polymère au moyen d’une vis sans fin et de le fondre au contact d’un fourreau chauffé à la température de mise en œuvre. Elle s’effectue en temps masqué pendant le refroidissement. Lors du remplissage, le polymère fondu est injecté dans le moule par l’intermédiaire de la vis sans fin, équipée d’un clapet en son extrémité, utilisée cette fois-ci comme piston. Cela dure entre quelques dixièmes de seconde et quelques secondes. Du fait de la grande viscosité de la matière et du débit de remplissage important, le cisaillement de la matière est très élevé. Il entraîne de fortes pressions de mise en œuvre, allant de 500 à 2 000 bars. Le maintien a pour but de compenser le retrait du matériau pendant son refroidissement. Cela implique l’injection d’une petite quantité de matière dans le moule (de l’ordre de 10 %). Enfin, le refroidissement intervient à partir du moment où le maintien n’est plus possible : la pièce continue de refroidir dans le moule jusqu’à atteindre la rigidité suffisante à son éjection. Cette étape est appelée refroidissement bien que celui-ci commence dès la phase de maintien. Elle implique une réduction de la géométrie de la pièce par rapport aux dimensions de l’empreinte du moule.


La presse à injecter, composée d'une unité de fermeture et d'une unité de plastification, moule les pièces en répandant, sous haute pression, la matière plastique fondue dans les cavités d'un moule. Une fois la matière refroidie, le moule s'ouvre pour libérer la pièce.
Infographie Florent Robert pour Industrie & Technologies
Il existe plus de 5 000 références de thermoplastiques sur le marché, et chaque polymère possède des propriétés de transformation distinctes. Ils nécessitent donc des réglages adaptés. Une caractéristique fondamentale commune à tous les matériaux thermoplastiques est leur comportement non newtonien : lors de l’écoulement, la viscosité diminue avec l’augmentation du taux de cisaillement. L’avancement du front de matière fondue est alors gouverné par « l’effet fontaine ». La matière au centre de l’épaisseur de la paroi s’écoule en avant de la masse fondue au niveau des parois du moule. Cette masse fondue est figée brutalement au contact du moule, ce qui génère un écart de température important dans la matière. Résultat : le polymère fondu coule plus vite au centre de l’épaisseur et plus lentement en surface de l’empreinte.


L' "effet fontaine" illustre le comportement non newtonien des matières plastiques : la matière au centre de l'écoulement va plus vite que la masse fondue située près des parois
Infographie Florent Robert pour Industrie & Technologies


Les thermoplastiques se caractérisent également par leur nature viscoélastique qui peut influencer directement les propriétés mécaniques finales des pièces. En effet, lorsqu’une contrainte est imposée à ces matériaux, ceux-ci se comportent comme des solides élastiques lors de sollicitations brèves, et comme des fluides dans le cas contraire.

Le temps et la température sont deux facteurs qui affectent les contraintes mécaniques à l’intérieur de la pièce. Du point de vue du comportement du matériau, il est intéressant de visualiser le cycle d’injection à l’aide de son diagramme pression-volume-température (PVT).


Lors du remplissage du moule (AB), la forte élévation de pression diminue le volume massique du polymère. Durant le compactage (BC), le matériau est maintenu à pression constante et le retrait lié au refroidissement est compensé par l'ajout de matière. A partir du gel du seuil (CD), le refroidissement se poursuit à volume constant pour atteindre la température ambiante (E). Les contraintes sont alors les plus fortes.
Infographie Florent Robert pour Industrie & Technologies

 

2. Simulation
Le calcul s’en mêle

La bonne reproduction du comportement thermoplastique lors de sa mise en forme à l’aide d’un modèle numérique repose non seulement sur la qualité des données des matériaux, mais également sur la méthode de résolution des équations utilisées par les solveurs pour calculer le comportement physique. Afin de simuler le processus de moulage, il faut procéder à une série de test pour mesurer les propriétés du polymère. Celles-ci peuvent être classées en quatre catégories : rhéologique, thermique, mécanique et morphologique. Les matériaux du moule et des inserts doivent également être décrits avec leurs propriétés thermo-physiques et mécaniques. La méthode des éléments finis est la plus utilisée pour résoudre un système d’équations multiphysiques, composé des équations relatives aux transferts de chaleur à la dynamique des fluides et de la mécanique du solide. Une fois les propriétés du matériau mesurées, elles sont appliquées aux lois de comportement implémentées dans le solveur.

La pièce nécessite alors un maillage généralement composé d’éléments finis. Il existe plusieurs modes de calcul. Celui sur fibre neutre s’applique à une pièce polymère possédant un ratio longueur d’écoulement sur épaisseur très important, c’est-à-dire que son épaisseur est faible par rapport aux autres dimensions. Celle-ci peut être simplifiée par une surface sur laquelle les épaisseurs correspondantes sont affectées. Ce mode de calcul à l’avantage d’être rapide et adapté aux pièces de très grandes dimensions. Le mode de calcul 3D constitue une autre approche de la simulation. La pièce est modélisée par un maillage tridimensionnel qui permet de prendre en compte sa complexité, en gommant les simplifications géométriques du mode précédent. Le choix de l’un ou de l’autre est établi par l’utilisateur du logiciel afin de répondre aux spécificités de la pièce et aux contraintes imposées par le cahier des charges.

Le remplissage optimal de la pièce est, dans un premier temps, le résultat attendu d’une étude rhéologique. L’étude de l’écoulement du polymère dans l’empreinte permet d’identifier le nombre de points d’injection nécessaires et les meilleures zones d’implantation. La simulation permettra de tester virtuellement différentes solutions et d’analyser les écoulements. Les critères[…]

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