Conception Des Moules

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abderrahmane Mira – Bejaïa

Faculté de Technologie Département de Génie Mécanique

Projet de Fin d’Études Pour l’Obtention du Diplôme De Master en Génie Mécanique

Thème

Démarche de Conception d’un Moule à Injection Plastique Application : Moule d’Attache Tapie (Renault Algérie)

Réalisé par :

Président :

Mr. OURKHOU El- Hachemi

Examinateurs :

Mr. SEBAIHI Sofiane

Mr. Y. KHELFAOUI Mr. M. HADJOU Mr. M. SAAL

Promoteur :

Juin 2014

Mr. O. HAMRI

Dédicace Je dédie ce travail A mes parents ; A mes sœurs ; A toute ma famille ; A tout mes amis ; A tout le staff estudiantin ; A tous ceux qui ont pu m’aider un jour.

Sofiane

Dédicace Je dédie ce travail A mes parents ; A mes frères et sœurs ; A toute ma famille ; A tout mes amis ; A tout le staff estudiantin ; A tous ceux qui ont pu m’aider un jour.

El-hachmi

Remerciements Je remercie en premier lieu le dieu tout puissant de m'avoir donné la santé et le pouvoir d’accomplir ce modeste travail.

Je remercie mes parents pour leur patience, leurs encouragements et leurs soutient.

Je remercie vivement Mr. O.HAMRI d’avoir accepté de nous encadrer, ainsi que Mr. A.BENSACI pour la confiance qu’ils nous ont accordée.

J’adresse également mes remerciements à tous les membres du jury qui ont pris le soin de consulter mon document.

Idem, je remercie l’ensemble de mes amis qui m’ont aidé à accomplir ce travail.

Enfin, je ne terminerai pas sans remercier tous les enseignants du Département pour la qualité de formation qu’ils nous en procuré.

Liste des symboles et abréviations

μ : Viscosité dynamique. τ: Contrainte de cisaillement. γ: Taux de cisaillement. K : Consistance du matériau. m : Indice de pseudo plasticité. ʎ:Temps caractéristique de l’enchevêtrement. R : Constante des gaz parfaits. Aref : Rapport de l’énergie d’activation et de R la constante des gaz parfaits. I : tenseur identité. σ : tenseur des contraintes. u : vecteur vitesse. P : Pression. T : Température. t : Temps. P1 : Pièce supérieure. P2 : Pièce inférieure. 𝐃𝐜 ∶ Diamètre du canal. E : Epaisseur nominale de la pièce. v1 : Volume de la pièce supérieure. E1 : Epaisseur nominale de la pièce supérieure. v2 : Volume de la pièce inférieure.

E2 : Epaisseur nominale de la pièce. D1 : Diamètre du canal d’alimentation menant a la pièce supérieure. S1 : Section du canal d’alimentation menant a la pièce supérieure. S2 : Section du canal d’alimentation menant a la pièce supérieure. D2 : Diamètre du canal d’alimentation menant a la pièce supérieure. St : Section totale des orifices de sortie. Dcarotte : Diamètre au bout de la carotte. Ds : Etant le diamètre de seuil. 𝐐𝐩 : Chaleur dégagé e par le polymère. 𝐐𝐟 : Chaleur évacué par le fluide de refroidissement. Tinj: Température d’injection de la pièce. TM : Température surface du moule. Cp : Capacité calorifique du thermoplastique. ρp: Masse volumique du plastique. Vtotal : La somme des volumes des empreintes et du système d’alimentation. ΔTf : Différence de température de fluide entre l’entré et la sortie du moule. Cf : Capacité calorifique du fluide de refroidissement. ρf : Masse volumique du fluide. qvf : Débit volumique de l’écoulement du fluide caloporteur. tref : Temps de refroidissement des pièces. Re : Nombre de Reynold. υf : Viscosité cinématique du fluide de refroidissement. Dsc : Distance du plan de joint jusqu’ a la surface du canal de refroidissement. Dcc : Distancé d’un canal a l’autre.

Table des matières Avant-propos

1

Introduction générale

2

A Etat de l’art

1

2

3

Généralité

5

1.1 Définitions

5

1.2 Propriétés des thermoplastiques

7

Transformation des thermoplastiques

12

2.1 Fréquence d’utilisation des différents procédés

13

2.2 Procédés de transformation

14

Code d’identification de la résine

21

B Injection plastique 1

2

Les presses à injection

23

1.1 Description de la presse

23

1.2 Fonctionnement de la presse

25

1.3 Choix d’une presse

27

Procédé de l’injection plastique

29

2.1 Suivi de l’injection

29

2.2 Phénomènes au cours du cycle

33

2.3 Temps de cycle

38

2.4 Modélisation de l’injection

39

2.5 Defaults reliés à l’injection

41

C Technologie des Moules 1

2

Architecture du moule

50

1.1

Les éléments du moule

51

1.2

Classification des moules

52

Les fonctions d’un moule

54

2.1 Fonction alimentation

54

3

4

2.2 La fonction régulation

59

2.3 La fonction éjection

62

2.4 La fonction évacuation de l’aire

64

2.5 La fonction mise en forme

65

Fonctions auxiliaires

68

3.1 Le maintien

68

3.2 Le positionnement

69

3.3 Guidage

70

3.4 La manutention

72

Matériaux des moules

73

D Conception des pièces 1

2

Présentation du projet

75

1.1 Ressources informatique

75

1.2 Présentation des pièces

76

1.3 Matériau utilisé

78

Model CAO des pièces

79

3

4

2.1 Les modèles géométriques

79

Vérification de la conception

80

3.1

Analyse des épaisseurs

80

3.2

Analyse des dépouilles

81

3.3 Analyse des contre dépouille

83

Validation de la conception

84

E Simulation rhéologique 1

2

3

4

5

Préparation de la simulation

87

1.1 Conception du système d’alimentation

87

1.2 Conception de la régulation

94

Simulation et vérification du système d’alimentation

99

2.1 Analyse inspection des canaux

99

2.2 Analyse d’équilibrage des canaux

100

Simulation et vérification du système de régulation

101

3.1

Analyse thermique du moule

101

Simulation rhéologique finale

103

4.1 Analyse de remplissage

104

4.2 Analyse thermique

110

4.3 Analyse de gauchissement

113

Conclusion

115

F Conception du moule 1

Conception des éléments moulants

118

1.1 Préparation des pièces

118

1.2 Création du plan de joint

119

1.3 Créations des blocks noyau - empreinte et coulisseau

120

2

Conception des tiroirs

124

3

Conception de l’alimentation

125

4

Conception de la régulation

126

5

Conception du system d’éjection

127

6

Conception de la carcasse

129

6.1

129

7

conception des éléments standards

Vérification de la conception

131

7.1 La pièce supérieure (P1)

131

7.2 La pièce inferieure (P2)

134

7.3 Conclusion de l’analyse

137

7.4 Choix des matériaux

137

Conclusion générale

138

Bibliographie

139

Annexe

141

Liste des figures

Figure 1.1 : Courbe de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour un thermoplastique.

9

Figure 1.2 : Exemples de procédés applicable aux thermoplastiques.

12

Figure 1.3 : Histogramme des pourcentages des parts de marché des principaux procédés

13

Figure 1.4 : Déroulement du cycle d’injection.

15

Figure 1.5 : Schéma d’une extrudeuse mono vis.

16

Figure 1.6 : Représentation du principe du soufflage.

18

Figure1.7 : Principe du calandrage.

19

Figure 2.1 : Presse horizontale.

24

Figure 2.2 : Groupe d’injection.

25

Figure 2.3 : Groupe fermeture.

26

Figure 2.4 : Evolution de la pression dans le polymère.

30

Figure 2.5 : Evolution de la température au cours du cycle.

31

Figure 2.6 : Diagramme PVT.

31

Figure 2.7 : Section de l’empreinte d’un moule d’injection lors du remplissage.

34

Figure 2.8 : Représentation des flux de chaleur lors de la phase maintien.

36

Figure 2.9 : Représentation des flux de chaleur lors de la phase de refroidissement.

37

Figure 2.10 : Représentation des flux de chaleur lors de la phase démoulage-éjection.

38

Figure 2.11 : Contribution moyenne de chaque phase en temps de cycle.

39

Figure 2.12 : Pièce présentant des bavures.

42

Figure 2.13 : Pièce incomplète.

43

Figure 2.14 : Pièce présentant des microsillons.

43

Figure 2.15 : Pièce présentant l’effet Diesel.

44

Figure 2.16 : Pièce représentant une inclusion d’air

45

Figure 2.17 : Pièce présentant des retassures.

46

Figure 2.18 : Pièce présentant des écailles.

47

Figure 2.19 : Pièce présentant des marques de fissuration.

48

Figure 2.20 : Déformation de la pièce après éjection.

49

Figure 2.21 : Exemple d’une pièce présentant des marques d’éjecteur.

50

Figure 3.1 : Représentation d’un moule standard.

51

Figure 3.2 : Représentation d’un moule a deux plaques.

52

Figure 3.3 : Représentation d’un moule a trois plaques.

53

Figure 3.4 : Représentation du system d’alimentation.

54

Figure 3.5 : Représentation de la carotte(en rouge).

55

Figure 3.6 : Canaux d’alimentation.

55

Figure 3.7 : Seuils d’injection (en rouge).

56

Figure 3.8 : Représentation d’un seuil sous-marin courbé.

56

Figure 3.9 : Représentation d’un seuil sous-marin.

57

Figure 3.11 : Représentation des différentes dispositions des seuils rectangulaire.

58

Figure 3.12 : Type de circuits de refroidissement (série a gauche, parallèle a droite).

59

Figure 3.13 : Forme d’une pièce sans dépouille.

65

Figure 3.14 : Forme de la pièce avec dépouille.

66

Figure 3.15 : Pièce avec une zone non démoulable.

66

Figure 3.16 : Représentation d’un système tiroir plus doigt.

67

Figure 3.18 : Rondelle de centrage.

70

Figure 3.19 : Représentation du système de guidage des moules.

71

Figure 3.20 : Tolérances applicable au guidage.

72

Figure 4.1 : Représentation de la pièce supérieure.

76

Figure 4.2 : Représentation de la pièce inferieure.

77

Figure 4.3 : Représentation de l’assemblage des deux pièces.

78

Figure 4.4 : Model CAO de la pièce supérieure.

79

Figure 4.5 : Model CAO de la pièce inferieure.

79

Figure 4.6 : Cartographie des épaisseurs de la pièce supérieure.

80

Figure 4.7 : Cartographie des épaisseurs de la pièce inférieure.

80

Figure 4.8 : Résultat d’analyse de dépouille (P1).

81

Figure 4.9 : Résultat d’analyse de dépouille (P2).

82

Figure 4.10 : Représentation du résultat d’analyse de contre dépouille (P1).

83

Figure 4.11 : Représentation du résultat d’analyse de contre dépouille (P2).

83

Figure 5.1 : Exemple de contrainte de dimensionnement de carotte.

90

Figure 5.2 : Image du système d’alimentation modélisé sous MOLDFLOW.

94

Figure 5.3 : Image du système (pièces +alimentation+ régulation) modélisé sous MOLDFLOW.

98

Figure 5.4 : Résultat d’analyse Zone de remplissage du polymère.

104

Figure 5.5 : Résultat temps de remplissage.

104

Figure 5.6 : Résultat pression au point d’injection.

105

Figure 5.7 : Résultat Température au front d’écoulement.

106

Figure 5.8 : Résultat Taux de cisaillement.

107

Figure 5.9 : Résultat tenseur d’orientation des fibres.

107

Figure 5.10 : Résultat retrait volumique.

108

Figure 5.11 : Résultat emprisonnement d’air.

108

Figure 5.12 : Résultat lignes de soudure.

109

Figure 5.13 : Résultat estimation des retassures.

110

Figure 5.14 : Résultat température du liquide de refroidissement.

110

Figure 5.15 : Résultat température métal du circuit.

111

Figure 5.16 : Résultat température moule.

112

Figure 5.17 : Résultat pourcentage de gaine solide.

112

Figure 5.18 : Résultat temps pour atteindre la température d’éjection.

113

Figure 5.19 : Résultat d’analyse de gauchissement.

113

Figure 6.1 : Préparation des pièces (P1 a gauche, P2 a droite).

118

Figure 6.2 : Choix du plan de joint (P1 a gauche, P2 a droite).

119

Figure 6.3 : Model de l’empreinte (a droite) et du noyau (a gauche).

120

Figure 6.4 : Représentation des deux nez de coulisseau.

120

Figure 6.5 : Emplacement des coulisseaux (en rouge) sur le block noyau.

121

Figure 6.6 : Model de l’empreinte (a droite) et du noyau (a gauche).

121

Figure 6.7 : Représentation des deux nez de coulisseau.

122

Figure 6.8 : Emplacement des coulisseaux(en rouge) sur le block noyau.

122

Figure 6.9 : Configuration du moule.

123

Figure 6.10 : Choix des tiroirs.

124

Figure 6.11 : Conception de l’alimentation.

125

Figure 6.12 : Conception de la régulation.

126

Figure 6.13 : Système d’éjection (P1).

127

Figure 6.14 : Système d’éjection (P2).

128

Figure 6.15 : Carcasse du moule.

129

Figure 6.16 : Bague de centrage.

130

Figure 6.17 : Vue en coupe de la buse d’injection.

130

Figure 6.18 : Résultat d’analyse statique de l’empreinte (P1).

131

Figure 6.19 : Résultat d’analyse statique du noyau (P1).

132

Figure 6.20 : Résultat d’analyse statique du nez de coulisseau (P1).

133

Figure 6.21 : Résultat d’analyse statique de l’empreinte (P2).

134

Figure 6.22 : Résultat d’analyse statique de l’empreinte (P2).

135

Figure 6.23 : Résultat d’analyse statique du nez de coulisseau (P2).

136

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Code d’identification des résines.

21

Tableau 3.1 : Matériaux des moules.

73

Tableau 4.1 : Dimension et cotes nominales de la pièce supérieure.

77

Tableau 4.2 : Dimension et cotes nominales de la pièce inférieure.

77

Tableau 5.1 : Résultats inspection des canaux.

99

Tableau 5.2 : Résultat d’analyse thermique du moule.

101

Tableau 5.3 : Paramètre important la simulation rhéologique.

114

Tableau 6.1 : Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P1).

132

Tableau 6.2 : Résumé des résultats d’analyse statique du noyau (P1).

133

Tableau 6.3 : Résumé des résultats d’analyse statique du nez de coulisseau (P1).

134

Tableau 6.4 : Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P2).

135

Tableau 6.5 : Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P2).

136

Tableau 6.6 : Résumé des résultats d’analyse statique des coulisseaux (P2).

137

16

Avant-propos L’objectif que nous nous sommes fixés à travers notre étude est de proposer une démarche pour la conception d’un moule à injection plastique. Cette démarche systématique et analytique est destinée principalement aux « bureaux d’études » spécialisés dans la conception des moules qui offrent des solutions indispensables à l’industrie du plastique à grande échelle. D’autre part, nous souhaitons que les lecteurs du Département Génie Mécanique puissent trouver dans notre étude de cas pratique, une application méthodologique des concepts théoriques propres à l’Ingénierie Mécanique Assistée par Ordinateur dont nous avons utilisé des outils reconnus universellement comme des standards de la simulation et la modélisation 3D tel que Autodesk © et SolidWorks ©. Pour atteindre notre objectif, nous avons scindé notre mémoire en une partie théorique et une autre pratique. Dans la première partie, que nous avons divisé en trois principaux chapitres respectivement l’Etat de l’art, l’Injection Plastique et la Technologie des Moules, nous avons abordé divers notions essentielles à la compréhension du procédé d’injection plastique. Un aperçu des matières plastiques et leurs diverses propriétés sont abordés avec les différentes méthodes utilisées pour leur transformation. Les presses à injection sont d’abord exposées pour comprendre les mécanismes et principes fondamentaux du procédé d’injection plastique. Ensuite, nous développerons l’architecture des moules avec leur différentes fonctions. Dans la deuxième partie, que nous avons divisé également en trois principaux chapitres à savoir le model CAO des pièces à réaliser, la Simulation Rhéologique des systèmes d’alimentation et de régulation du moule et la Conception du moule. Nous avons ainsi mis en évidence l’apport des logiciels suscité pour l’esquisse, la modélisation, la simulation et enfin la validation des calculs pour enfin concevoir notre moule. Il est important de noter que toutes ces phases sont réalisées dans un environnement virtuel par opposition aux méthodes traditionnelles qui exigent plus de ressources temporelles, matériels et financières. Enfin pour orienter les lecteurs désireux de s’informer et d’explorer d’autres branches de l’injection plastique, nous avons inclus à la fin du présent document : une bibliographie, une liste des abréviations utilisées, une liste des figures et tableaux représentant des extraits des résultats des simulations et calculs, et enfin des annexes reproduisant des plans en 2D des composants du moule à réaliser.

17

Introduction générale Depuis la révolution industrielle, l’industrie du plastique a connu un essor considérable. En tant que processus de production, la transformation des thermoplastiques n’a cessé de se développer et de devenir de plus en plus précis, automatiques et rapide. Ce développement à façonner radicalement la notion de « moule » passant du primitif au virtuelle avec l’avènement de la 3D. « Le moulage » qui permet la reproduction en série d’une forme préalablement conçue est devenu la clé dans la production de masse. Sous sa forme la plus primitive, le moulage était fait avec du sable, de la cire perdue ou des moules rigides. Aujourd’hui, avec l’avancée technologique considérable qu’a connu l’humanité, le moulage par « injection » et le procédé de prédilection utilisé par les industriels et « l’injection plastique » est la plus répandue grâce au cout minime qui en découle et les propriétés du matériau utilisé qui permettent d’avoir un produit fini très variable en forme et en dimension. Ces qualités ont permis la substitution des anciens matériaux comme l’acier et le bois par le plastique dans les domaines de l’emballage, la construction et l’industrie automobile, notamment. En Algérie, le domaine du moulage par injection n’est pas traité à sa juste valeur vu que l’économie nationale est plus orientée vers l’importation des denrées alimentaires et autres consommables au détriment de la technologie. Par conséquent, l’injection plastique, en tant que technique de moulage qui fournit aux différentes industries les éléments importants à leur fonctionnement, n’est pas une partie prenante dans le processus global de l’industrie nationale en tant que fournisseur interne indépendant des opérateurs internationaux.

18

Le procédé d’injection plastique permet de produire à grande cadence, avec une grande régularité, et de façon automatique, des pièces en plastiques de formes complexes, d’où le sujet de cet exposé. Nous allons voir le mode opératoire de l’injection plastique qui englobe ses phénomènes, ses éléments de fonctions et la maitrise du logiciel de conception ainsi que les différentes architectures du moule. Afin d’atteindre la perfection requise du produit final qui déterminera son succès commercial, le concepteur doit passer par l’étape de la « simulation numérique ». Cette dernière et par opposition aux méthodes traditionnelles tel que l’expérimentation, les essais et le maquettage donc le cout est élevé et le temps est long, elle offre une meilleure analyse des phénomènes physiques mis en jeu lors du procédé, lorsque la simulation numérique est bien sûre couplée avec une validation expérimentale.

19

A Etat de l’art

4

1 Généralités Après avoir utilisé les matériaux naturels dans les temps préhistoriques (bois, pierre, peau, laine, etc.) et avoir extrait les métaux des minerais, ainsi que d’avoir créé des alliages métalliques, l’Homme a commencé à créer des matériaux de synthèse à partir des composants organiques. C’est ainsi que sont apparus les premiers polymères de synthèse (fin 18ème siècle) c’est-à-dire les premières matières plastiques. Plus récemment encore (les années quarante) l’idée est venue d’améliorer les caractéristiques mécaniques en y incorporant des fibres, ce que l’on appelle depuis les années 60-70, les matériaux composites [1].

1.1 Définitions Les plastiques et composites sont constitués de polymères, de fibres et de charges ou d’additifs. Les plastiques sont des polymères éventuellement chargés ; ils peuvent être renforcés avec des fibres courtes (un à quelques millimètres) ou des fibres longues (supérieures à un centimètre). Dans ce dernier cas, ils sont appelés matériaux Composites. Si en plus, ils sont constitués de nappes de fibres tissées, on les appelle des composites stratifiés.

5

1 Généralités

1.1Définitions

1.1.1 Polymères

Un polymère est un enchaînement de motifs organiques identiques appelés monomères. Le résultat est une suite d’atomes de carbone reliés entre eux et combinés à d’autres éléments (hydrogène, azote, fluor, silicium, chlore, etc.).

1.1.2 Familles de polymères

A

Les thermoplastiques

ETAT DE L’ART



Les thermoplastiques ont plutôt une structure linéaire ou ramifiée. Concrètement, ils ont un point de fusion donné et leur moulage est obtenu par changement d’état solide → liquide ou pâteux (mise en forme) → solide (refroidissement).



Les thermodurcissables

Les thermodurcissables ont une structure réticulée, ils n’ont pas de point de fusion et leur moulage se fait par réaction chimique d’un mélange d’ingrédients dans un moule. Après durcissement, la ré-conformation n’est plus possible. Remarque : Dans ce qui suit on ne s’intéresse qu’aux thermoplastiques.

1.1.3 Structure des thermoplastiques 

Les amorphes Les amorphes n’ont pas d’ordre moléculaire apparent (structure comparable à un liquide),

bien qu’il existe des amorphes orientés et non orientés. Ils n’ont pas de température de fusion précise, mais plutôt une phase de ramollissement. On définit alors une température de transition vitreuse au-dessus de laquelle le matériau se comporte comme solide. La plupart des amorphes sont généralement caractérisés par un retrait relativement faible, une stabilité dimensionnelle, une bonne tenue au choc et une assez bonne résistance au fluage et ils sont difficiles à étirer. Ce sont principalement les PS, SAN, ABS, PMMA, PC, PPO, PSU, PPS, PVC.

6

1 Généralités



1.2 propriétés des thermoplastiques

Les cristallins

Ils ont une structure constituée de cristallites ordonnées et reliées dans une matrice amorphe ainsi qu’une température de fusion précise. La plupart sont caractérisés par une bonne tenue chimique aussi bien qu’une bonne tenue à la fatigue dynamique. Les cristallins se caractérisent par un bon écoulement et un faible coefficient de frottement. Ce sont principalement les PE, PP, PET, PBT, PA, POM, PTFE.

A ETAT DE L’ART

1.2 Propriétés des thermoplastiques

1.2.1 Volume spécifique Le volume spécifique des polymères est plus élevé que celui des métaux parce qu’ils sont constitués d’atomes légers et adoptent des structures d’empilement non compactes. Les polymères amorphes ont un coefficient de dilatation thermique qui augmente lors de la transition vitreuse. Pour les semi cristallins, elle dépend de cette dernière mais aussi de la cristallinité [2].

La fusion de la phase cristalline provoque une dilatation isotherme qui vient s’ajouter à celle de la phase amorphe.

1.2.2 Conductivité thermique La conductivité thermique des polymères est faible, de l’ordre de 0,1 W.m-1.K-1. Pour un amorphe, le maximum de conductivité se situe à la température de transition vitreuse. Pour un semi cristallin, on observe une conductivité plus forte de la phase cristalline.

1.2.3 Module d’élasticité . Le module d’élasticité, dit de Young, est la valeur théorique du rapport de la contrainte mécanique (Pa) sur l’allongement d’un matériau dans son palier élastique. On dit d’un matériau dont le module d’Young est très élevé (>105 Pa) qu’il est rigide. 7

1 Généralités

1.2 propriétés des thermoplastiques

Le module d’Young des polymères est faible : environ un centième de celui du métal. Il est plus sensible à la température.

1.2.4 Rhéologie des polymères La viscosité d’un fluide traduit l’évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement, ce qui se résume comme suit :

ETAT DE L’ART

A

Où

μ est la viscosité dynamique en Pa.s,  est la contrainte de cisaillement en Pa, est le taux de cisaillement en s-1. Pour un fluide newtonien, la viscosité est une fonction constante, indépendante du taux de cisaillement. Mais la viscosité des polymères fondus est généralement non newtonienne. L’étude de la variation de la viscosité en fonction du cisaillement, de la température et de la pression s’appelle la rhéologie.

La figure suivante représente une Courbe de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour un thermoplastique. Ces courbes d’écoulement sont généralement représentées sur une échelle logarithmique. On y observe un plateau newtonien pour les faibles vitesses de cisaillement et un comportement pseudo plastique assimilable à une loi de puissance pour les taux de cisaillement élevés. La viscosité est aussi thermo et piezo dépendante (non montré sur la figure)

8

1 Généralités

1.2 propriétés des thermoplastiques

Figure 1.1

ETAT DE L’ART

A

Courbe de viscosité en fonction du taux de cisaillement pour un thermoplastique [1].

Beaucoup de lois de variation de viscosité découplent des dépendances de la viscosité avec le cisaillement et la température se focalisant sur un seul aspect. Le lien peut toutefois être rétabli par l’utilisation du principe d’équivalence temps-température. Voici quelques-unes de ces lois les plus classiques : 

Variation de la viscosité avec le cisaillement

 Loi Ostwald – de Waele Cette loi est également appelée loi de puissance et s’écrit traditionnellement sous la forme :

Où K est la consistance du matériau (en Pa.sm), m est l’indice de pseudo plasticité (m = 1 pour un fluide newtonien ; m = 0 pour un corps rigide plastique).

Cette loi a le défaut de ne pas présenter de plateau newtonien à faible taux de cisaillement. Pour y remédier elle est donc souvent complétée par une valeur de viscosité seuil. En revanche, elle est confortable pour les forts taux de cisaillement.

9

1 Généralités

1.2 propriétés des thermoplastiques

 Loi de Cross : La loi de Cross a l’avantage de présenter le plateau newtonien à faible taux de cisaillement.

Où  est le temps caractéristique de l’enchevêtrement,

μ0 est la viscosité du palier newtonien à faible taux de cisaillement, μ∞ un deuxième plateau newtonien à taux de cisaillement élevé.

ETAT DE L’ART

A

Ce dernier n’ayant jamais été observé pour un polymère fondu, on prendra

μ∞ = 0. Ce qui donne :

 Loi de Carreau-Yasuda: La loi de Yasuda est une loi de Carreau généralisée. Elle s’exprime de la façon suivante :

Où a le même sens que pour la loi de Cross. Le paramètre « a » sert à ajuster la transition plus ou moins rapide entre le plateau newtonien et la partie loi puissance. La loi de Carreau correspond à la valeur a=1.



Variation de la viscosité avec la température

 Loi WLF de Williams, Landel et Ferry :

10

1 Généralités

1.2 propriétés des thermoplastiques

C et D sont deux paramètres caractéristiques du matériau étudié.

A

En pratique cette loi est applicable entre la température de transition vitreuse Tg et

ETAT DE L’ART

Tg+100. Au-dessus, la loi d’Arrhénius est préférable.

 Loi d’Arrhénius :

Ou

Aref représente le rapport de l’énergie d’activation et de R la constante des gaz parfaits. Les températures sont exprimées en Kelvin.

11

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUES

Les thermoplastiques ne sont jamais utilisées à leurs états brutes. Ils sont donc transformés. La transformation se fait suivant un ou plusieurs procédés. Nous retrouvons dans le tableau ci-dessous une representation schématique de l’ensemble des procédés les plus utilisées dans l’industrie plastique suivant l’états et la nature du thermoplastique utilisé.

Figure 1.2 Exemples de procédé applicable aux thermoplastiques [3].

Remarque Dans ce qui suit nous allons essayer d’expliquer les principaux procédés utilisés.

12

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.1 Fréquence d’utilisation des différents procédés

2.1 Fréquence d’utilisation des différents procédés

Les fréquences d’utilisation des procédés sont très variées, l’injection et l’extrusion. Ceci englobe les films, tubes, tuyaux. Les feuilles par exemple, couvrent plus de 50 % de la

Pour les thermoplastiques, le soufflage constitue le troisième procédé alors que le calandrage, le poudrage, l’enduction, le thermoformage, le chaudronnage et la confection sont les moins utilisés. La figure 3 illustre la situation d’ensemble :

Figure 1.3

Histogramme des pourcentages des parts de marché des principaux procédés.

13

ETAT DE L’ART

A

production des pièces et demi-produits en matière plastique.

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

2.2 Procédés de transformation

2.2.1 Injection des thermoplastiques Le moulage par injection est une technique de fabrication de pièces en grande ou très grande série. Il concerne avant tout les matières plastiques et les élastomères (caoutchoucs), mais aussi divers métaux et alliages à point de fusion relativement bas [4].

Déroulement du cycle Le cycle d’injection d’une pièce se déroule en cinq phases : 

Plastification Dans cette première phase, l’extrémité du fourreau est obturée par la buse et la vis tourne

en reculant pour accumuler en tête de vis le polymère plastifié et chaud. 

Remplissage Lorsque la quantité voulue de la matière nécessaire à l’injection d’une moulée est

plastifiée, la buse s’ouvre et la vis fait office de piston pour injecter sous haute pression et à grande vitesse le polymère dans le moule fermé refroidi à une température nettement inférieure à celle de la résine injectée. 

Compactage et maintien En se refroidissant dans le moule, le polymère se contracte, ce que l’on compense

partiellement en maintenant la pression pendant que l’on continue à injecter du polymère fondu. Le processus s’arrête lorsque la matière contenue dans le canal d’alimentation reliant la buse de la presse à injecter au moule est solidifiée. 

Refroidissement Le refroidissement du polymère, lent en raison de sa faible conductivité thermique, est

poursuivi jusqu’à une consolidation physique suffisante de la pièce.

14

ETAT DE L’ART

A

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE



2.2 Procédés de transformation

Démoulage- éjection L’opération de démoulage est manuelle ou plus souvent automatisée. Pour des raisons

économiques, l’éjection intervient le plus rapidement possible c’est-à-dire dès que la pièce est manipulable sans déformation. Le refroidissement complet n’est obtenu qu’après la sortie du moule. Certaines phases du cycle d’injection sont partiellement imbriquées. Par exemple le compactage et le refroidissement, la plastification de la moulée suivante et le refroidissement

ETAT DE L’ART

de la moulée en cours [3].

A

Figure 1.4 Déroulement du cycle d’injection [3].

Remarque : Ce procédé sera développé dans le chapitre qui suit.

15

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

2.2.2 Extrusion des thermoplastiques L’extrusion est un procédé continu permettant de fabriquer des articles de section constante. Parmi les produits extrudés, les films sont largement majoritaires (environ 60 %) suivis des tubes et tuyaux (un peu plus de 20 %) puis des feuilles (un peu plus de 15 %) [3].

A

Ligne d’extrusion



ETAT DE L’ART

L’extrusion d’un produit nécessite une ligne d’extrusion comprenant principalement : L’extrudeuse, en général à vis, lorsqu’elle est alimentée en granulés, elle réchauffe et plastifie la matière avant de l’amener sous pression à la filière. 

La filière et éventuellement le poinçon, qui vont donner la forme voulue au flux de matière.



Les dispositifs de calibrage (calibreur ou conformateur) et de refroidissement, qui vont donner la forme définitive du profilé et la fixer par refroidissement.



Le dispositif de tirage, qui assure l’entraînement du profilé à vitesse constante.

Figure 1.5 Schéma d’une extrudeuse mono vis [3].

16

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

Déroulement du cycle Le cycle d’extrusion se déroule en quatre ou cinq phases : 

Plastification de la matière par le travail mécanique de la vis et l’apport de chaleur du système de chauffage. Mise en pression du matériau.



Eventuellement le dégazage.



Mise en forme par passage du matériau ramollit sous pression à travers la filière.



Refroidissement jusqu’à consolidation physique suffisante du profilé.

A ETAT DE L’ART



2.2.3 INJECTION -SOUFFLAGE ET EXTRUSION- SOUFFLAGE DES

THERMOPLASTIQUES L’injection- soufflage et l’extrusion- soufflage permettent la fabrication de corps creux en deux étapes sans utilisation de noyau : 

Réalisation d’une paraison par injection ou extrusion ;



Transfert dans un moule et soufflage d’air comprimé à l’intérieur de la paraison pour la plaquer sur les parois du moule et l’obliger à en prendre la forme.

Déroulement du cycle Le soufflage combine la plastification ou fusion des thermoplastiques par extrusion ou injection, et le moulage par injection d’air comprimé. La figure1.6 ; schématise le principe du soufflage :

17

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

Figure 1.6

ETAT DE L’ART

A Représentation du principe du soufflage [3].

Interprétation 

Vue A : une paraison réalisée par extrusion est introduite dans le moule ;



Vue B : le moule est fermé ;



Vue C : de l’air comprimé est injecté à l’intérieur de la paraison pour plaquer ses parois sur celles du moule froid et en prendre la forme ;



Vue D : le corps creux suffisamment refroidi pour supporter les manipulations est démoulé ;



Vue A bis : la paraison est injectée au lieu d’être extrudée. Ceci pour améliorer la qualité des goulots et pas de vis dont la précision est celle des pièces injectées [3].

2.2.4 Calandrage

Ce procédé est semblable à celui utilisé pour les métaux. Il sert au laminage de produits plats de grande largeur et de longueur quasi illimitée en thermoplastiques ou en caoutchoucs. Cette technique est généralement employée pour produire des feuilles et des films de thermoplastiques [3].

Principe du calandrage Le principe schématisé par la figure1.7 consiste à : 18

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

1. Plastifier ou fondre le thermoplastique par le passage dans une extrudeuse ou un mélangeur. 2. Laminer le thermoplastique plastifié ou fondu entre les cylindres tournant en sens inverses pour obtenir un film ou une feuille d’épaisseur constante. 3. Refroidir le polymère pour lui redonner sa consistance d’origine.

ETAT DE L’ART

A

Figure 1.7

Principe du calandrage [3].

Une calandre est caractérisée par les applications ciblées, le nombre de cylindres, leur taille et leur configuration.

2.3.5 Le thermoformage

Principe du thermoformage Le thermoformage est une technique qui consiste à prendre un matériau sous forme de plaques (verre, plastique...), à le chauffer pour le ramollir, et ensuite à utiliser cette ductilité pour le mettre en forme avec un moule. Lorsque le matériau refroidit, il rendurcit tout en gardant cette forme.

19

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

Le thermoformage offre de nombreuses possibilités de réalisations comme des pièces de fines épaisseurs et de petites dimensions allant des pots de yaourt aux baignoires [5]. Déroulement du cycle Le cycle se déroule comme suit : Chauffage de la matière.



Retrait des chauffes puis élévation du moule.



Mise en forme de la matière sur le moule (par le vide, sous pression...).



Refroidissement (la pièce reste sur le moule).



Démoulage et évacuation de la pièce.

A ETAT DE L’ART



20

2 TRANSFORMATION DES THERMOPLASTIQUE

2.2 Procédés de transformation

3. Code d’identification des résines Ce code identifie la famille de résine à laquelle la matière appartient.

Code

A

Code d’identification des résines .

ETAT DE L’ART

Tableau 1.1

Famille des plastiques Polyéthylène téréphtalate (PET, PETE) Polyéthylène de densité élevée (HDPE) Polychlorure de vinyle (PVC) Polyéthylène à faible densité (LDPE) Polypropylène (PP) Polystyrène (PS) Autre. Comprend les résines qui ne sont pas répertoriées. Cette catégorie comprend aussi toutes les matières qui sont des mélanges ou qui contiennent des charges. Non déterminée, par exemple, anciennes données

21

B Injection plastique

22

1 Les presses à injection

1.1 Description de la presse

1 Les presses à injection La presse à injecter est le moyen le plus utilisé pour réaliser des pièces en plastique par

le procédé de moulage. Dans l’industrie, on retrouve des presses classiques ou presses spéciales. Bien plus répandus, les presses classiques sont selon leurs dispositions de deux types : verticales ou horizontales. Pour des raisons d’encombrement, la presse horizontale est la plus utilisée. La compréhension de l’environnement ou se déroule l’injection est une composante primordiale pour la conception des moules. Pour cela nous avons jugé très nécessaire d’explorer cette ressource. Dans ce qui suit nous allons nous intéresser aux presses horizontales.

1.1 Description de la presse

La figure 2.1 montre une représentation schématique d’une presse horizontale ainsi que les éléments principaux la constituant.

23

1 Les presses à injection

1.1 Description de la presse

Figure 2.1

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Presse horizontale [7].

1. Plateau arrière fixe. 2. Colonnes de guidage. 3. Plateau mobile de fermeture. 4. Plateau fixe d'injection. 5. Cylindre chauffant d'injection. 6. Trémie. 7. Groupe d'injection. 8. Organe de fermeture (genouillère ou vérin). 9. Tableau de commande. 10. Bâti. 11. Groupe hydraulique. .

24

1 Les presses à injection

1.2 Fonctionnement de la presse

1.2 Fonctionnement de la presse Les presses à injecter comportent un groupe d’injection et un groupe de fermeture positionnés sur le bâti.

1.2.1 Groupe d’injection Il se compose principalement des éléments suivants (voir Figure 2.2) :

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Figure 2.2

Groupe d’injection [7].

1. Colliers chauffant du pot d'injection. 2. Pot d'injection. 3. Vis d'injection. 4. Trémie.

25

1 Les presses à injection

1.2 Fonctionnement de la presse

Le groupe d’injection réalise les fonctions suivantes : 

Faire fondre la matière en apportant de l’énergie sous forme mécanique ou thermique.



Doser le volume de matière qui sera injectée.



Injecter la matière fondue.



Maintenir la matière injectée sous pression pendant son refroidissement et ajouter de la matière refondue dans le moule pour compenser la perte de volume lors du refroidissement [8].

1.2.2 Groupe de fermeture

B

Figure 2.3

L’INJECTION PLASTIQUE

La figure qui suit est une représentation du groupe de fermeture :

Groupe de fermeture [7].

Le groupe représenté se compose d’une plaque fixé sur un système de genouillère commandé par un vérin hydraulique.

Les fonctions du groupe de fermeture sont : 

Centrer le moule.



Permettre la fixation du moule sur les plateaux.



Fermer et ouvrir le moule.



Guider la partie mobile du moule.



Assurer la sécurisation du moule lors de la fermeture.



Verrouiller le moule.



Ejecter les pièces injectées [9]. 26

1 Les presses à injection

1. 3 Choix d’une presse

1.3 Choix d’une presse Le choix d’utiliser une presse pour la fabrication d’une pièce donnée se fait selon deux critères :

1.3.1 Le critère technique Il faut assurer un minimum requis en matière de caractéristiques de la presse. Cela 

La fusion de la matière On entend le débit de plastification, la température et l’homogénéité de la matière fondue obtenue.



La fermeture du moule Cela englobe la force de verrouillage également appelé force de fermeture, les vitesses de fermeture, le dispositif de sécurisation et l’épaisseur minimale du moule.



L’ouverture du moule On s’intéresse à la force d’ouverture, la (ou les) vitesse(s) d’ouverture, la course d’ouverture et la position des plateaux en fin d’ouverture.



L’éjection des pièces Elle est définie par les paramètres de force, vitesse, course et la position extrême du vérin d’éjection.



Les dimensions du groupe de fermeture Désignent les dimensions extérieures, le passage entre colonnes et la hauteur des plateaux [9].

27

L’INJECTION PLASTIQUE

B

concerne :

1 Les presses à injection

1. 3 Choix d’une presse

1.3.2 Le critère économique On essaye toujours de saturer la presse, ceci est pour gagner en ; 

Prix de revient Il est obtenu par la réduction de la part machine. En plus, déplacer à chaque cycle la masse d’un plateau machine surdimensionné n’est pas sans conséquence sur la consommation d’énergie.



Qualité des pièces N’utiliser qu’une fraction de la course d’injection implique la perte de beaucoup de précision lors du remplissage.



B

Productivité

fortement pour les courses de vis faible. Le dosage en quelques tours de vis ne permet pas une grande stabilité du process [8].

Une presse est dite adéquate pour mouler un model donné après avoir choisis le nombre d’empreintes, si elle remplit le cahier de charge suivant : 

Volume max d’injection ≥ (Vcarotte + Vcanaux + Vempreintes) x (coefficient de dilatation thermique) +5mm (matelas) x (section du cylindre d’alimentation).



Pression max d’injection ≥ (pertes de charges calculé avec la simulation numérique rhéologique)



Débit max d’injection ≥ (volume total de la moulée/temps de remplissage.)



Débit de plastification ≥volume de la moulée/ (temps de refroidissement +temps d’ouverture).



Force de fermeture ≥ (pression max d’injection maximale) x (la somme des surfaces projetées des empreintes) x (le coefficient de sécurité.)



Passage entre colonne ≥ (largeur du moule).



Hauteur des plateaux ≥ (hauteur du moule).



Distance min entre plaques ≤ (épaisseur du moule).



Distance max entre plaques ≥ (épaisseur du moule +épaisseur de la pièce).



Course d’éjection ≥ (épaisseur de la pièce).



Température max de la presse ≥ (Tf ou Tg de la matière a mouler).

28

L’INJECTION PLASTIQUE

Le rapport (course de fermeture du clapet/course totale) augmente

2 PROCEDE DE L’INJECTION PLASTIQUE

Le choix des paramètres d’injection est primordiale pour limiter les rebuts, augmenter la productivité et de diminuer le temps de cycle (pour permettre la réduction du coût de revient) et aussi afin d’améliorer la qualité de la pièce. Ce choix est le résultat d’une compréhension de l’ensemble des phénomènes qui prennent lieux lors des différentes phases du cycle d’injection ainsi que leurs interférences. Pour cette raison, nous avons jugé utile d’explorer l’aspect scientifique du procédé ainsi que les défauts qui lui sont reliés et les solutions à proposer.

2.1 Suivi de l’injection Le suivi de l’évolution des paramètres d’injection au cours du cycle se fait sur un ensemble de diagramme :

2.1.1 Diagramme P(t) L’évolution de la pression moyenne dans le polymère au cours des différentes phases de l’injection sont représentées de manière schématique sur la figure 2.4 :

29

2 Procède de l’injection plastique

2.1 Suivi de l’injection

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Figure 2.4 Evolution de la pression dans le polymère.

2.1.2 Diagramme T(t) L’évolution de la température moyenne dans le polymère au cours des différentes phases de l’injection sont représentées de manière schématique sur la figure 2.5.

30

2 Procède de l’injection plastique

2.1 Suivi de l’injection

L’INJECTION PLASTIQUE

B Figure 2.5 Evolution de la température au cours du cycle [10]

2.1.3 Diagramme PVT Le diagramme PVT (Figure 2.6) intègre les deux diagrammes P (t), T (t), pour en déduire le volume spécifique ; V (P, T) :

Figure 2.6 Diagramme PVT [10].

31

2 Procède de l’injection plastique

2.1 Suivi de l’injection

Interprétation du diagramme PVT On constate différents types d’évolution : 

AB : le remplissage et le compactage peuvent être considérés comme une étape de mise en pression isotherme.



BE : le maintien en pression est composé d’une phase de maintien isobare (BC) puis on observe une brusque diminution de la pression et de la température lors de la cristallisation (D).



Lorsque le seuil d’injection est figé, le refroidissement isochore s’accompagne d’une diminution de la pression jusqu’à la pression atmosphérique (EF) FG : le refroidissement se poursuit à la pression atmosphérique ce qui entraîne le

B

retrait du polymère [10].

L’INJECTION PLASTIQUE



32

2 Procède de l’injection plastique

2.2 Phénomènes au cours du cycle

2.2 Phénomènes au cours du cycle

2.2.1 Phase de remplissage Le temps de remplissage est court car il est de l’ordre de la seconde. Par conséquent, les débits d’injection sont élevés, de l’ordre de 100 à1 000 cm3/s. En combinaison avec la forte viscosité des polymères, la dissipation visqueuse d’énergie est donc importante et la

Les polymères étant peu conducteurs de chaleur, la température au centre est proche de la température d’injection, tandis qu’à la paroi elle est proche de la température de l’acier. Il y a donc formation de gaine solide. Ce qui provoque une augmentation de pression qui est déjà de quelque dizaine de méga pascale. L’obtention de l’équilibre entre ces phénomènes permet de stabiliser le niveau de température et d’éviter tout phénomène de refroidissement ou de chauffage excessif susceptible de perturber le remplissage ou de dégrader la matière. L’ordre de grandeur de la quantité de chaleur dissipée dépend directement de la viscosité des polymères qui dépend fortement de la température et de la pression [10]. La figure 2.7 représente la section de l’empreinte d’un moule d’injection lors du remplissage. Au contact du moule refroidi, on observe la formation d’une gaine solide. L’entrefer disponible pour l’écoulement se réduit proportionnellement à l’épaisseur de la gaine solide.

33

L’INJECTION PLASTIQUE

B

température de la matière peut augmenter localement malgré le refroidissement du moule.

2.2 Phénomènes au cours du cycle

B

Figure 2.7 Section de l’empreinte d’un moule d’injection lors du remplissage [11].

Il est important de déterminer le réglage du débit de remplissage qui permet de maîtriser l’évolution de pression due à la croissance de la gaine solide. Ceci permet d’obtenir l’équilibre thermique au sein de la veine liquide [12].

Un bon remplissage est celui où les pertes de charges, le taux de cisaillement ainsi que le temps de remplissage sont minimisé tout en assurant un remplissage complet et uniforme.

2.2.2 Phase de maintien

Après le remplissage à débit imposé, une quantité supplémentaire de matière est introduite dans le moule pour compenser le retrait dû au refroidissement en imposant une pression de compactage ou de maintien [13]. Ce qui, du point de vue thermique, garantit un bon contact entre la source chaude (le polymère) et la source froide (le moule). On peut distinguer deux étapes après la fin du remplissage : a. Pendant un temps très court qui est de l’ordre du dixième de seconde, le profil de pression dans la cavité passe d’un profil non uniforme en fin de remplissage (la pression est maximale à l’entrée, et nulle au front) à un autre pratiquement uniforme (mais pas exactement, car il y a un léger écoulement).

34

L’INJECTION PLASTIQUE

2 Procède de l’injection plastique

2 Procède de l’injection plastique

2.2 Phénomènes au cours du cycle

b. Pendant une période beaucoup plus longue (de l’ordre de la dizaine de secondes), que l’on appelle souvent maintien, la pression décroît progressivement. La fin de cette étape à lieu lorsque le polymère fige sur toute l’épaisseur et dans une zone interdisant la transmission de la pression depuis la buse, par exemple, aux environs du seuil si celui-ci est de petite section. En général, la pression dans le moule n’est pas nulle à la fin de cette étape.

De point de vue thermique ; dès le début de cette phase, la pièce commence à se refroidir et les transferts de chaleur Φ1 (figure 2.8) entre la pièce et le moule sont très importants. Ils solide/solide et les paramètres qui le caractérisent sont les diffusivités thermiques de l’acier et du polymère. Les transferts de chaleur Φ2 sont plus complexes. Ils représentent le flux de chaleur cédé par le moule à l’air de l’atelier et aux autres pièces métalliques de la presse à injecter en contact avec le moule. Leurs contributions au bilan thermique global du moule soient souvent négligées, mais il convient, au contraire, de les prendre en compte. Le transfert a lieux le plus souvent par convection et rayonnement avec l’environnement. Les paramètres influents sont le coefficient d’échange entre la paroi du moule et l’air, la température de l’air et l’émissivité de l’acier. Les transferts de chaleur Φ 3 correspondent au flux de chaleur cédé par le moule au fluide de régulation. Ces transferts seront plus ou moins importants en fonction de la disposition des canaux à l’intérieur des empreintes du moule et sont d’origine convectifs : solide/fluide. Les paramètres influents sont alors le coefficient d’échange entre la paroi et le fluide et la température du fluide [12].

35

B L’INJECTION PLASTIQUE

sont même les plus élevés du cycle. Le mode de transfert est ici purement conductif :

2 Procède de l’injection plastique

2.2 Phénomènes au cours du cycle

Figure 2.8

Représentation des flux de chaleur lors de la phase maintien [12].

La durée de cette étape et le niveau de pression de compactage doivent être déterminés avec précaution pour éviter un sous-compactage (dimension de la pièce incorrecte et masse insuffisante), ou un sur compactage (ouverture du moule entraînant une bavure dans le plan de joint, difficultés d’éjection dues à un excès de matière injectée dans la cavité). Cette étape a aussi une grande incidence sur le niveau de contraintes résiduelles. Un bon compactage est celui qui permet d’atteindre une masse volumique maximale et uniforme sur toute la pièce tout en réduisant le temps et sans dépasser la limite tolérées en termes de contraintes résiduelles et de déformation.

2.2.3

Phase de refroidissement

Dans la phase de refroidissement, le polymère continue a se refroidir et les transferts de chaleur sont identiques à ceux présents dans la phase de maintien (figure 2.9). La différence provient de l’éventuel retrait de la pièce lors de son refroidissement. 36

L’INJECTION PLASTIQUE

B

2 Procède de l’injection plastique

2.2 Phénomènes au cours du cycle

Ce retrait peut entraîner un décollement de la pièce par rapport à la surface du moule. Le contact pièce/moule est alors subitement et fortement dégradé et les transferts par conduction sont plus faibles. Sur ce point, le facteur influent est la variation de masse volumique du polymère en fonction de la température T et de la pression P. Cette variation est donnée par le diagramme PVT du polymère avec ν volume spécifique. Le choix de la durée de cette étape, est toujours un compromis entre la qualité de la pièce (dimension, contraintes résiduelles), et la productivité (temps du cycle).

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Figure 2.9 Représentation des flux de chaleur lors de la phase refroidissement [12].

2.2.4 Phase d’éjection-démoulage Lors de la phase d’éjection, le moule est ouvert puis la pièce est éjectée. A ce stade il faut distinguer les transferts au niveau du moule de ceux qui concernent la pièce (figure 2.10). Φ 1 représente les transferts convectifs et de rayonnement entre la surface interne du moule et l’environnement [12]. En fonction de la température de régulation, le moule va donc se refroidir sur toutes ses faces (flux Φ 1 et Φ 2). 37

2.3 Temps de cycle

2 Procède de l’injection plastique

Si la diffusivité thermique du moule est faible, le fluide continuera de refroidir le moule même une fois ouvert et le flux de chaleur Φ 3 n’est donc pas nécessairement nul. La pièce éjectée, de son côté, se refroidit au contact de l’air de l’atelier (flux Φ 4) [12].

Figure 2.10

L’INJECTION PLASTIQUE

B

z

Représentation des flux de chaleur lors de la phase démoulage-éjection [12].

2.3 Temps de cycle La majeur partie du temps du cycle est repartie entre les deux phases ; maintien et refroidissement, et cela dépend principalement de l’épaisseur de la pièce [11]. La figure qui suit représente des valeurs moyennes des pourcentages d’apport de chaque phase en temps du cycle :

38

2 Procède de l’injection plastique

2.4 Modélisation de l’injection

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Figure 2.11 Contribution moyenne de chaque phase en temps de cycle.

2.4 Modélisation de l’injection

2.4.1 Equations à résoudre Il y a progression du front de matière, dont il faut déterminer à chaque instant la position.

39

2 Procède de l’injection plastique

2.4 Modélisation de l’injection

Le phénomène de l’injection est multi-physique : écoulement sous pression induisant des pertes de charge. Une grande vitesse donc fort taux de cisaillement. Enfin la présence de plusieurs flux de chaleurs.

Hypothèse de base Le polymère est supposé avoir un comportement purement visqueux. En effet, on peut négliger la composante élastique du comportement si les déformations de cisaillement sont prépondérantes. Cela nous amène à résoudre le système d’équations suivant :

B L’INJECTION PLASTIQUE

Equation de continuité : Equation d’équilibre :

Equation de comportement

Equation de bilan thermique :

Avec : u (m/s) :

vecteur vitesse.

σ (Pa) :

tenseur des contraintes.

p (Pa) :

pression hydrostatique.

I:

tenseur identité.

η (Pa · s) :

viscosité.

T (°C) :

température.

ρ (kg/m3) :

masse volumique.

c (J · °C-1 · kg-1) : t (s) :

capacité calorifique.

temps.

40

2 Procède de l’injection plastique

2.5 Defaults reliés à l’injection

k (W · m-1 · °C-1) : conductivité thermique. vitesse de déformation généralisée (s-1). Puissance dissipée par unité de volume (W · m-3).

2.5 Defaults reliés à l’injection L’objectif de cette partie est d’établir une liste répertoriant les caractéristiques essentielles des principaux défauts des pièces injectées en polymère thermoplastique

Par souci de clarté et de compréhension, ces défauts ont été répertoriés et classés selon les différentes phases du cycle d’injection d’un polymère [14]. 2.5.1 Défauts liés à la phase dynamique d’injection (remplissage-maintien) 

Les bavures

Correspondent à une fuite du polymère par le plan de joint du moule lors de l’injection (figure 2.12).

La formation des bavures peut être liée à une viscosité trop faible du polymère, à une pression d’injection trop élevée, à une force de fermeture ou une rigidité de l’outillage insuffisante ou un encrassement du plan de joint.

La sévérité du défaut peut être réduite par une optimisation des paramètres de mise en œuvre (réduction de la vitesse et de la température d’injection), l’avancement du point de commutation en pression de maintien, la réduction de la pression de maintien, l’augmentation de la force de fermeture et nettoyage du plan du joint.

41

L’INJECTION PLASTIQUE

B

permettant de faire ultérieurement le choix des paramètres d’injection.

2 Procède de l’injection plastique

2.5 Defaults reliés à l’injection

Figure 2.12 Pièce présentant des bavures



Les lignes de soudure

Elles apparaissent au contact de deux fronts de matière. Ceux-ci s’aplatissent et se collent. Si la température et la pression au point de jonction des deux fronts sont trop faibles, les extrémités d'écoulement ne seront pas complètement développées, créant ainsi une entaille visible en surface.

De plus, la cohésion du matériau sera médiocre entraînant une atténuation significative des propriétés mécaniques. Pour une géométrie donnée, ce défaut d’aspect peut être atténué par l’augmentation de la vitesse et de la température d’injection, de la température de l’outillage et de la pression et du temps de maintien.



Une pièce incomplète

Correspond à un remplissage partiel de la cavité. La plupart du temps à la fin du parcours d’écoulement ou dans des zones de faible épaisseur (Figure 2.13). Ce défaut apparaît lorsque le volume de dosage est trop faible par rapport à celui de la pièce à mouler. Mais aussi lorsque l’épaisseur de l’empreinte est trop faible, la pression d’injection insuffisante ou les pertes de charges dans le circuit d’alimentation sont trop importantes. Cette mal façon peut être éliminé par : 

Une adaptation des paramètres d’injection (augmentation du dosage, de la température du polymère et de la vitesse d’injection, en retardant le passage en pression de maintien), 42

L’INJECTION PLASTIQUE

B

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique 

En optimisant le système d’alimentation de l’outillage (augmentation des diamètres des canaux et des seuils afin de réduire la perte de charge) ou Enfin en augmentant l’épaisseur de l’empreinte.

B

Figure 2.13 

L’INJECTION PLASTIQUE



Pièce incomplète

Apparition de sillons

Ils sont caractérisés par des fines rainures concentriques parallèles au front d’écoulement apparaissant autour du point d’injection ou dans des zones de faible épaisseur (figure 2.14).

La sévérité de ce défaut peut être atténuée par une augmentation de la température du front de matière : augmentation de la vitesse d’injection, des températures d’outillage et d’injection et de l’épaisseur de la cavité.

Figure 2.14

Pièce présentant des microsillons.

43

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique 

L'effet Diesel

Caractérisé par l’apparition de taches noires ou carbonisées à la surface de la pièce (figure 2.15) et est dû à un problème de ventilation. Il se produit lorsque le parcours de l’écoulement entraîne la formation de poches d’air (notamment en fin de parcours, dans les zones de soudure, au niveau des nervures) et que celles-ci, de par la conception inadéquate du système de ventilation (évents, éjecteurs) ne peuvent pas être éliminées. En fin d’injection, l’air est alors comprimé et sa température s’élève fortement, pouvant provoquer la carbonisation du polymère. dans les zones de convergence de flux de matière. A l’extrémité du parcours de coulée, elle peut être effectuée par la modification du parcours d’écoulement (épaisseurs de paroi, position des seuils). Aussi, par une vérification des évents, la réduction de la force de fermeture pour faciliter l’évacuation de l’air emprisonné.

Figure 2.15

Pièce présentant l’effet Diesel.

44

B L’INJECTION PLASTIQUE

L’élimination de ce défaut nécessite l’optimisation de la ventilation du moule, notamment

2 Procède de l’injection plastique 

2.5 Defaults reliés à l’injection

Les inclusions d’air

Elles sont semblables à des poches d’air de diamètre important et en grande quantité. Elles peuvent se former près des parois lors de l’injection et apparaissent comme des creux sur la pièce moulée (Figure 2.16). L’origine de ce défaut peut être liée à une décompression trop importante ou trop rapide et à un mauvais fonctionnement du clapet anti-retour. Aussi à la présence d’une poche d’air dans la trémie ou à une température trop élevée du polymère. La température de l’ouillage trop faible peut être atténuée par une augmentation des pressions d’injection et de maintien, par une augmentation de la contre-pression et de la température du moule ou par une augmentation du diamètre du point d’injection.

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Figure 2.16 Pièce représentant une inclusion d’air.

2.5.2 Défauts liés à la phase quasi-statique d’injection (refroidissement)

 Les retassures Une retassure est un enfoncement ou une bosse localisé à la surface de la pièce. Elle apparaît le plus souvent au droit d’une nervure, dans des zones de surépaisseur locale, au niveau des noyaux et des lignes de soudure ou des étranglements, des buses de canaux chauds ou à l’extrémité de l’écoulement (Figure 2.17).

45

2 Procède de l’injection plastique

2.5 Defaults reliés à l’injection

A l’endroit de la surépaisseur (par exemple une nervure), le volume à refroidir est nettement plus important que dans le reste de la pièce. Le temps de refroidissement sera donc également plus important. Le retrait pourra ainsi se poursuivre dans cette zone alors que le reste de la pièce sera déjà figé. Ceci entraîne une déformation locale de la surface. L’origine de ce défaut est donc géométrique (non-uniformité des épaisseurs). De manière générale, on aura intérêt à conserver des épaisseurs de parois constantes. Son amplitude peut être limitée, pour une géométrie donnée, par une augmentation du temps et/ou de la pression de maintien permettant une compensation plus efficace du retrait. Cette limitation peut être effectuée aussi par une diminution des températures d’injection et augmenter le diamètre de la buse et la section des canaux d’alimentation, voire à déplacer le point d’injection (limiter la longueur d’écoulement jusqu’à la discontinuité géométrique) pour favoriser la compensation du retrait dans la phase de maintien.

Figure 2.17

Pièce présentant des retassures.

 L’écaillage Dans ce cas la pièce est caractérisée par un aspect superficiel semblable à des écailles, avec une alternance de zones brillantes et mates, la plupart du temps près du seuil mais parfois sur la pièce (Figure 2.18).

Il est engendré par une cohésion insuffisante des couches de surface adjacentes, formées lors de l’écoulement et du refroidissement. En effet, les contraintes de cisaillement et les endommagements thermiques (vitesse et température d’injection trop élevées), ainsi que les

46

B L’INJECTION PLASTIQUE

d’outillage pour réduire le temps de refroidissement. Dans certains cas, on peut être amené à

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique

hétérogénéités du matériau (impuretés, humidité, charges) peuvent réduire la cohésion de ces couches à un point tel que la couche de surface s’écaille.

La cause principale de ce défaut est un déplacement de la matière déjà refroidie. La sévérité du défaut peut être réduite par une adaptation des paramètres de transformation (diminution de la vitesse d’injection en début de remplissage et de la température d’outillage), une optimisation des seuils (prévoir des rayons et polir) ou l’élimination des éventuelles impuretés contenues dans le polymère.

Figure 2.18

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Pièce présentant des écailles.

 La fissuration Le défaut de fissuration est caractérisé par un éclaircissement localisé de la teinte, avec une surface satinée (Figure 2.19).

Ces fissures apparaissent quelques jours voire plusieurs semaines après moulage. Ce défaut est lié à un état de contrainte excessif dans la pièce généré lors du moulage et/ou du démoulage.

Le processus de dégradation peut être amplifié et/ou accéléré par le conditionnement ou les conditions d’utilisation de la pièce (taux d’humidité, température engendrant des phénomènes de diffusion et de gonflement).

47

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique

La sévérité de ce défaut peut être réduite par une diminution des contraintes générées lors de l’injection, en l’occurrence la réduction des pressions dans l’outillage et l’augmentation du temps de refroidissement. Aussi lors du démoulage c’est-à-dire la modification de la position des éjecteurs et l’augmentation des angles de dépouille. Enfin une adaptation des conditions de stockage et d’utilisation de la pièce au comportement du matériau.

Figure 2.19 

L’INJECTION PLASTIQUE

B

Pièce présentant des marques de fissuration.

Conformité dimensionnelle de la pièce : Retrait

Le retrait est la différence entre les dimensions de l’empreinte acier et les dimensions de la pièce obtenue. Il est dû à la différence de densité entre deux états de la matière : 

Le premier état chaud, fondu, pression élevée correspond à l’état de la matière quand elle vient d’être injectée dans l’empreinte et pendant le maintien ;



Le deuxième état froid et solide, plus ou moins sous contrainte correspond à l’état de la matière de la pièce froide et stabilisée, prête au montage.

Le retrait peut être compensé par une conception judicieuse de l’empreinte, et cela en intégrant un coefficient de correction des dimensions de cette dernière.

On distingue deux (02) types de retrait : 

Retrait au moulage : 

Retrait bloqué : durant le moulage. 48

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique  

Retrait libre : dans les vingt-quatre (24) heures qui suit le moulage.

Retrait après moulage : Il prend effet après les vint quatre (24) heures qui suivent le moulage [15].

2.5.3 Défauts liés à la phase de démoulage-éjection 

Déformation de la pièce

Dans certains cas, lorsque le démoulage est particulièrement difficile, la pièce moulée peut être déformée voire rompue lors de l’éjection (Figure 2.20).

Ce défaut peut être lié au matériau (retrait trop important), aux conditions de transformation (refroidissement insuffisant, pressions trop élevées) ou à la conception de l’outillage.

Il peut être atténué par une optimisation des conditions de moulage (réduction de la vitesse et de la pression d’injection, augmentation du temps de refroidissement, passage plus précoce en pression de maintien, réduction de la pression de maintien). Le défaut peut aussi être corrigé depuis la conception du moule par l’augmentation de sa rigidité, le polissage dans le sens du démoulage, optimisation du traitement de surface et de la rugosité ou la réduction des contre dépouilles et augmentation des dépouilles, enfin l’optimisation de la position et du nombre des éjecteurs).

Figure 2.20

Déformation de la pièce après éjection. 49

L’INJECTION PLASTIQUE

B

2.5 Defaults reliés à l’injection

2 Procède de l’injection plastique



Les marques d’éjecteurs

Le défaut de marques d’éjecteurs est caractérisé par une variation locale d’épaisseur pouvant générer des différences de brillance et des creux visibles en surface de la pièce (Figure 2.21). Ce défaut peut être lié à une pression d’injection ou une température locale de l’outillage trop élevée, un temps de refroidissement trop court, ou une conception d’outillage inadaptée (contre dépouilles trop importantes, dépouilles trop faibles, mauvaise position des éjecteurs, surfaces d’éjecteurs trop faibles, rigidité du moule insuffisante).

La sévérité du défaut peut être réduite en optimisant les paramètres de transformation (réduction de la vitesse et de la pression d’injection, de la pression de maintien, en avançant le passage en pression de maintien, augmentation du temps de refroidissement) et/ou la conception de l’outillage (augmentation de sa rigidité, polissage dans le sens du démoulage, optimisation du traitement de surface et de la rugosité, optimisation de la régulation thermique, réduction des contre-dépouilles, positionnement préférentiel des éjecteurs à proximités des angles et sous les nervures).

Figure 2.21

Exemple d’une pièce présentant des marques d’éjecteur.

50

L’INJECTION PLASTIQUE

B

C Technologie des moules

51

1 Architecture des moules La réalisation de pièces en thermoplastique nécessite l’utilisation d’une presse à injection qui sera équipée d’un moule. Un moule standard est constitué de deux parties : 

Une partie s’adaptant sur le plateau fixe des presses : c’est le côté injection ; partie fixe.



Une partie s’adaptant sur le plateau mobile des presses : c’est le côté éjection ; partie mobile.

Le moule doit assurer les fonctions suivantes : 

L’alimentation en matière plastique, jusqu’ à la cavité.



La mise en forme du plastique.



Le refroidissement de la moulée.



L’ouverture et la fermeture.



L’éjection de la pièce.



L’évacuation de l’air.



Démoulage des contre dépouilles et orifices latéraux.

50

1 Architecture d’un moule

1.1 Les éléments du moule

Pour assurer ces dernières, des fonctions auxiliaires sont nécessaires :  Le maintien.  Le positionnement.  Le guidage.  La fixation.  La manutention.

1.1 Éléments de moule

C TECHNOLOGIE DES MOULES

Dans la figure qui suit (figure 3.1) représente un moule standard : un moule mono empreinte à deux plaques, un canal froid et sans tiroir.

Figure 3.1

Représentation d’un moule standard [16].

51

1 Architecture d’un moule

1.2 Classification des moules

1.2 Classification des moules

Les moules sont classifiés selon plusieurs critères :



Le nombre d’empreintes : 

Mono empreinte.



Multi empreintes.

Le nombre de plaques moulantes : 

Moule à deux plaques (figure 3.2) ;



Moule à trois plaques (figure 3.3).

C TECHNOLOGIE DES MOULES



Figure 3.2 Représentation d’un moule a deux plaques [17].

52

1 Architecture d’un moule

1.2 Classification des moules

Figure 3.3 





TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Représentation d’un moule a trois plaques [18].

La possession de tiroir : 

Avec tiroir.



Sans tiroir.

La cadence : 

Petites et moyennes cadences.



Grandes cadences.

Le dispositif d’alimentation : 

Canal froid.



Canal chaud.



Sans canal

53

2 Les fonctions d’un moule 2.1 Fonction alimentation La fonction alimentation permet un acheminement de la matière plastifiée, du cylindre de plastification (fourreau) vers l’empreinte qui se trouve dans l’outillage. Le remplissage de l’empreinte doit se faire rapidement et le plus uniformément possible [19].

Figure 3.4

Représentation du system d’alimentation [19].

2.1.1 Carotte La carotte correspond à l'extension du nez d'injection dans le moule. Son rôle est d’alimenter la (les) pièce(s) en matière. Elle permet de traverser la partie fixe (supérieure) du moule jusqu’au plan de joint grâce à un élément standard c’est-à-dire la « buse d’injection ».

54

2 Les fonctions d’un moule

2 .1 Fonction alimentation

Figure 3.5

Représentation de la carotte(en rouge) [19].

2.1.2 Canaux d'alimentation Les canaux d'alimentation sont des canaux qui relient la carotte aux seuils. La conception des canaux d'alimentation est importante pour garantir le remplissage régulier des cavités

Figure 3.6

Canaux d’alimentation (en rouge) [19].

55

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

2 Les fonctions d’un moule

2 .1 Fonction alimentation

2.1.3 Seuils Les seuils relient le système d'alimentation à l'empreinte et sont les orifices à travers lesquels la matière à l'état fondu pénètre dans le moule.

Figure 3.7

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Seuils d’injection (en rouge) [19].

Les seuils sont de plusieurs types : Sous-marin courbé Utilisé quand un système à canaux froid a été choisi.

Figure 3.8

Représentation d’un seuil sous-marin courbé [19].

56

2 Les fonctions d’un moule

2 .1 Fonction alimentation

Les seuils circulaires coniques sont des seuils automatiquement décrottés. Ils se cisailleront quand l'outil de montage est ouvert pour éjecter la pièce. Avantage : dégrappage automatique. Inconvénient : Usinage couteux. En plus il ne convient pas à toutes les matières

Sous-marin

C TECHNOLOGIE DES MOULES

Utilisé pour les petites pièces dans le but d’avoir un décarottage automatique. Mais leur utilisation engendre beaucoup de pertes de pression.

Figure 3.9

Représentation d’un seuil sous-marin [19].

Seuil en éventail Utilisé pour des pièces plates de grande dimension devant présenter un faible voilage. Avantage : Bonne qualité dimensionnelle. Inconvénient : Opération de reprise Esthétique.

57

2 Les fonctions d’un moule

2 .1 Fonction alimentation

Seuils rectangulaires Les seuils rectangulaires (figure 3.11) sont des seuils ajustés manuellement et nécessitent l’intervention d'un opérateur pour séparer la pièce des canaux d'alimentation au cours d'une opération secondaire :

Seuil d'arête

Seuil en voile

Seuil à languette

Seuil à chevauchement

Figure 3.11

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Représentation des différents types des seuils rectangulaire [19].

58

2 Les fonctions d’un moule

2 .2 Fonction régulation

2.2 Fonction régulation Elle doit permettre une solidification uniforme et dirigée de la matière injectée dans l’empreinte et les canaux. Cette fonction est nécessaire pour l’obtention d’une structure plus ou moins cristalline de la matière et pour la recherche de cadences de production élevées. Elle sera réalisée par la circulation d’un fluide réfrigérant dans les éléments d’empreintes appelé circuits de refroidissement [19].

2.2.1 Types des circuits de refroidissement Les circuits de refroidissement sont généralement classés en circuits série ou parallèle. Dans ces deux types de circuits, la hausse de température finale du liquide de refroidissement est entièrement déterminée par l'énergie provenant du plastique et par le débit volumique du liquide de refroidissement. Les facteurs les plus importants dans le maintien d'un transfert de chaleur efficace sont le débit et la conception du circuit. Le schéma suivant montre un circuit de refroidissement en série (à gauche) et un circuit en parallèle (à droite).

Figure 3.12 Type de circuits de refroidissement [19].

59

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

2 Les fonctions d’un moule

2 .2 Fonction régulation

Il est plus facile de contrôler la vitesse du liquide de refroidissement dans un circuit en série car le débit est le même dans toutes les sections. Il est donc plus facile de maintenir des conditions de débit qui fournissent un transfert de chaleur efficace.

Circuits parallèles : Les canaux de refroidissement parallèles sont forés directement d'un distributeur à un collecteur. Les caractéristiques d'écoulement de la conception parallèle font que le débit diffère dans chacun des canaux de refroidissement selon la résistance à l'écoulement de chaque canal. Ces différents débits entraînent à leur tour une efficacité du transfert de chaleur différente pour chaque canal de refroidissement. Ainsi, le refroidissement peut ne pas être

Généralement, les côtés empreints et noyau du moule ont chacun leur propre circuit parallèle. Le nombre de canaux de refroidissement par circuit varie selon la taille et la complexité du moule. Lorsqu'un circuit parallèle est utilisé, chaque branche doit être capable d'extraire la charge calorifique de la zone qui l'entoure. L'écoulement du liquide de refroidissement doit être régulé en spécifiant le diamètre et la longueur de chaque branche du circuit. Chaque branche doit présenter un écoulement turbulent pour générer un coefficient de transfert de chaleur efficace. La surface de la branche est déterminée en équilibrant sa longueur et son diamètre par rapport à la charge calorifique locale. Un circuit parallèle équilibré fournit une extraction de chaleur uniforme. Toutefois, les circuits parallèles présentent aussi les inconvénients suivants : 

Le débit de chaque branche est réduit lorsque des branches supplémentaires sont incorporées. Cela réduit l'efficacité du refroidissement sauf si le débit total augmente lui aussi.



Chaque canal de refroidissement peut présenter un débit différent, entraînant un refroidissement non uniforme. Pour pallier ce problème, un ajustage du diamètre des branches s’impose pour équilibrer l'écoulement du liquide de refroidissement. 60

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

uniforme avec un circuit parallèle.

2 Les fonctions d’un moule 

2 .2 Fonction régulation

Si une branche est partiellement bloquée par des débris, le débit risque de chuter considérablement dans cette branche tout en augmentant légèrement dans d'autres branches. Il en résulte un refroidissement non uniforme.

Circuits en série Les canaux de refroidissement reliés en une seule boucle de l'entrée du liquide de refroidissement à sa sortie, sont appelés circuits en série. Il s'agit du type de canal de refroidissement le plus courant. Si les canaux de refroidissement sont de même taille, le liquide de refroidissement peut conserver un débit turbulent sur tout le circuit. Le liquide de refroidissement continu à collecter la chaleur dans le circuit de

refroidissement de l'entrée à l'orifice de sortie est minimisée. La différence de température du liquide de refroidissement entre l'entrée et la sortie ne doit pas dépasser 5 ºC pour les moules à usage général et 3 ºC pour les moules de précision. Plusieurs circuits en série peuvent être nécessaires pour les grands moules afin d'assurer une température de liquide de refroidissement et un refroidissement uniformes. En raison des problèmes rencontrés avec les circuits parallèles, les circuits en série sont généralement préférables. Mais ne peuvent pas toujours être utilisés. Les circuits en série ne doivent pas être utilisés dans les situations suivantes : Si la longueur des résultats de circuits en série dans une perte de charge est trop importante pour le débit nominal disponible. Si les contraintes physiques dans la conception du moule impliquent que le moule ne peut pas être efficacement refroidi avec un circuit en série.

2.2.2 Temps de refroidissement Le Temps de refroidissement est le temps supplémentaire requis à la fin du compactage jusqu'à l'éjection. En général, la matière dans la partie centrale de la paroi de la pièce atteint la température de solidification et se solidifie durant la phase de refroidissement. La durée de refroidissement représente environ 80% de la durée totale du cycle. 61

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

refroidissement, ce qui assure que l'augmentation de la température du liquide de

2 Les fonctions d’un moule

2.3 Fonction éjection

2.2.3 Liquide de refroidissement Un liquide de refroidissement est un fluide qui s'écoule à travers les canaux de refroidissement pour réguler la température du plastique fondu dans le moule. Un liquide de refroidissement idéal possède une capacité thermique élevée, une faible viscosité, est économique et chimiquement inerte. Aussi, il ne provoque pas ou ne favorise pas la corrosion du système de refroidissement.

2.3 La fonction éjection

de l’empreinte. Pour remplir cette fonction, plusieurs solutions techniques sont envisageables tels les éjecteurs, plaque dévêtisseuse…etc. Pour garantir l’éjection, les pièces doivent impérativement se situer dans la partie mobile du moule lors de l’ouverture et la batterie d’éjection doit pouvoir être manœuvrée [19].

2.3.1 Les différents types d’éjecteur En fonction de la forme de la pièce, du nombre de pièces et des spécifications du cahier des charges pièce, on choisira un type d’éjecteur différent : 

Ejecteur cylindrique Permet l’éjection directe. Ils sont sous forme de tige cylindrique.



Ejecteur Tubulaire Permet l’éjection autour d’une broche. Ce sont des éléments standards et la dimension ne convient pas toujours à l’application que l’on veut en faire. Ejecteurs à lames : Ils correspondent à l’éjection tubulaire, mais le risque de traces d’éjection est important.



Plaque dévêtisseuse 62

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Après solidification, la pièce et les éléments qui assurent l’alimentation devront être extraite

2 Les fonctions d’un moule

2.3 Fonction éjection

Correspond à l’éjection par lame, mais limite considérablement les traces d’éjection. La conception du moule est légèrement différente, une plaque d’éjection est insérée entre les plaques porte-empreintes. Cette plaque est manœuvrée grâce à des vis épaulées qui transmettent le mouvement donné par la presse Des fois on retrouve des Soupape d’éjection, ou des éjecteurs annulaires.

2.3.2 Caractéristiques d’un système d’éjection En fonction de la forme, le nombre ainsi que des spécifications des cahiers des charges, on choisira un type d’éjection selon :

C

Forme des éjecteurs On favorise la forme circulaire autant que possible (facilité d’usinage). La lame si l’appui

se trouve sur un rebord ou à l’extrémité d’une nervure ou bien tubulaire si nous sommes en présence d’une forme circulaire creuse à démouler. 

Le nombre des éjecteurs

Le plus grands nombres possibles sera le mieux, afin d’assurer une extraction sans problème, mais tout en essayant de réduire le coût d’outillage. 

Le positionnement des éjecteurs On essaye de les placer sur des surfaces non visibles et non fonctionnelles à proximité des

endroits ou l’empreinte est profonde (nervure, bossage, rebord…). Ou encore, à proximité immédiate des contre-dépouilles ou des surfaces ayant des dépouilles faibles Proche des seuils sous-marins. 

La longueur des éjecteurs Chaque éjecteur est ajusté individuellement par rapport à la surface de l’empreinte.

63

TECHNOLOGIE DES MOULES



2 Les fonctions d’un moule



2.4 Fonction évacuation d’aire

La course d’éjection Elle sera au minimum égale à la profondeur maxi de l’empreinte à démouler ou de la

longueur du noyau.

2.3.3. La sécurité d’éjection Afin d’éviter toute détérioration de l’outillage, il est impératif qu’à la fermeture du moule le dispositif d’éjection soit rentré. Les systèmes permettant le retour de la batterie d’éjection sont : Les ressorts.



Les vérins.



Les éjecteurs de remise à zéro.

C

2.4 Fonction évacuation d’aire Lors de l’injection, la matière plastique prend la place de l’air dans l’empreinte. Dans la majorité des cas, cet échange doit se faire dans un temps très court. Des orifices placés correctement permettront une évacuation rapide. [19]. En général, ces évents sont placés sur le plan de joint de l’outillage, autour des broches d’éjection, des noyaux, des éléments rapportés. En fonction de la forme de la pièce, de l’emplacement du point d’injection et de l’écoulement de la matière dans l’empreinte, les évents seront positionnés différemment. Une éventation mal conçue, lors d’une injection rapide, provoque une compression d’air considérable à l’intérieur de l’empreinte. Cette augmentation de pression conduit à : 

Un retardement du remplissage de l’empreinte.



Une pression prématurée sur le polymère.



Des brûlures de polymère (effet diesel).

64

TECHNOLOGIE DES MOULES



2 Les fonctions d’un moule

2.5 Fonction mise en forme

2.5 Fonction mise en forme Elle permet d’obtenir une pièce conforme au cahier des charges mais surtout une pièce qui soit démoulable sans problème. Cette fonction est assurée par une empreinte cotée fixe, une empreinte cotée mobile et un ou plusieurs noyaux si nécessaire. Les dimensions de chacun des éléments cités ci-dessus sont corrigées pour compenser le retrait dû au moulage.



Forme non dépouillée

Le démoulage est difficile voire impossible car il y a un frottement important entre les formes moulantes de l’empreinte (poinçon) et la matière solidifiée. Ces frottements sont dus essentiellement au retrait de la matière lors de son refroidissement dans l’empreinte.

Figure 3.13

Forme d’une pièce sans dépouille.

65

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Voici quelques notions relatives à la forme de la pièce :

2 Les fonctions d’un moule 

2.5 Fonction mise en forme

Forme dépouillée Mettre des angles de dépouilles facilite le démoulage de l’empreinte α : angle de dépouille.

Figure 3.14



Forme d’une pièce avec dépouille.

Forme en contre-dépouille C’est une surface formant empêchant un démoulage dans une direction

perpendiculaire au plan de joint. Lors de la conception d’une pièce on évitera au maximum les surfaces en contre-dépouille car elles entrainent un moule plus couteux et plus complexes

Zone de la Contre-dépouille

Figure 3.15

Forme ayant des contre dépouille.

66

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

2 Les fonctions d’un moule

2.5 Fonction mise en forme

2.5.1 Démoulage des contres dépouille Lorsqu’une pièce possède une surface qui s’oppose à son démoulage (contre dépouille), ou des orifices latéraux l’immobilisant lors de démoulage, on fait appel à des solutions mécaniques plus compliquées : les tiroirs. Les tiroirs sont des éléments mobiles de l’empreinte permettant de libérer les formes de la pièce qui s’opposent au démoulage ou à l’éjection. Un tiroir peut être animé par un vérin hydraulique ou pneumatique ou par transmission du mouvement d’ouverture du moule par le biais d’un :

C

Doigt de démoulage (figure 3.16),

TECHNOLOGIE DES MOULES



Figure 3.16

Représentation d’un système tiroir plus doigt [18].

67

3 Fonctions auxiliaires 3.1 Le maintien La fonction « maintenir » est assurée par un ensemble de plaques positionnées et fixées entre elles « la carcasse », d’une façon à permettre l’assemblage de tous les éléments qui composent le moule. Cette fonction est assuré par : 

semelle partie fixe

Elle assure la liaison entre le moule et la partie fixe de la presse Elle permet la fixation de :





La plaque porte empreinte fixe.



La bague de centrage.



La Colonne de guidage.



La buse d’injection.

Plaque porte empreinte partie fixe Elle assure la liaison avec la semelle partie fixe et sert d’un support à l’empreinte.



Plaque porte empreinte partie mobile Elle sert d’un support à l’empreinte partie mobile.



Plaque d’appui (PA) Elle empêche toute sorte de déformation de l’empreintes et du noyau sous l’effet des

contraintes mécaniques exercées par la pression du plastique lors des phases remplissage et maintien (de l’ordre de quelque dizaine de méga pascal). Aussi sous l’effet des contraintes thermique lors de ces deux mêmes phases. Aussi elle permet la fixation de la plaque port empreint mobile.

68

3 Fonctions auxiliaires



3.2 le positionnement

Tasseaux (T)

Leur rôle est de relier la plaque d’appui à la semelle partie mobile, cela a pour objectif de 

Permettre la transmission du mouvement de cette dernière jusque à la plaque port empreinte mobile.



Assurer la rigidité de la plaque porte empreinte.



Dégager un espace permettant le mouvement de la batterie d’éjection : la course d’éjection.

Plaque porte éjecteur (PPE)

C

Elle sert de support à l’ensemble des éjecteurs. 

Plaque d’appui d’éjecteur (PAE) 

Elle assure la rigidité de la plaque porte éjecteurs.



Elle assure la transmission du mouvement de la commande d’éjection à la plaque porte éjecteurs.

 

Elle assure la liaison avec la semelle partie mobile à travers le plot de fixation.

Semelle partie mobile 

Elle assure la liaison entre le moule et la partie mobile de la presse.



Elle assure la fixation des tasseaux.



Elle assure le passage de la commande d’éjection.



Elle supporte les éléments de guidage (douilles).

3.2 Le positionnement La fonction « positionner » a pour rôle d’aligner l’axe de la buse d’injection de la presse et celui de la buse d’injection du moule pour garantir le remplissage. Les plateaux de la presse comportent des alésages, dont le centre est parfaitement aligné avec l'axe de la buse du groupe d'injection, Il suffit donc de fixer une rondelle de centrage normalisée, coté bloc fixe du moule pour assurer une mise en position correcte de celui-ci. Cette rondelle comporte un alésage qui permet de la centrer sur la buse d'injection du moule [16]. 69

TECHNOLOGIE DES MOULES



Figure 3.18

3.3 le guidage

C

Rondelle de centrage.

Le diamètre extérieur est fonction de la presse à injecter. Le diamètre intérieur est fonction de la buse d’injection choisie.

3.3 Le guidage La fonction « guider » a pour rôle de positionner les différentes parties de la carcasse les unes par rapport aux autres. Bien que précis le montage se fait avec jeu. Cette fonction est assuré par : 

Les quatre (04) colonnes de guidage : Elle assure le guidage en alignement entre :





La semelle fixe.



La plaque porte empreinte fixe.



La plaque porte empreinte mobile.

Les quatre (04) douilles de centrage (celles du milieu) : Elles assurent l’alignement entre : 

La plaque porte empreinte mobile.

70

TECHNOLOGIE DES MOULES

3 Fonctions auxiliaires

3 Fonctions auxiliaires





La plaque porte empreinte fixe.



La plaque d’appui.

3.3 le guidage

Les quatre (04) douilles de centrage (celles du coté mobile) : Elles assurent l’alignement entre : 

La semelle partie mobile.



Les tasseaux.



La plaque d’appui.

Le système de guidage est représenté dans la figure ci-dessous (figure 3.19) :

TECHNOLOGIE DES MOULES

C

Colonne de guidage

Douille (du milieu)

Douille (coté éjection)

Figure 3.19 Représentation du système de guidage des moules [16].

71

3 Fonctions auxiliaires

3.4 La manutention

 Tolérances des guidages La figure qui suit représente le système de tolérances applicables pour chaque cote :

H7e7 H7k6 H7g6 H7k6

C TECHNOLOGIE DES MOULES

H7e7 H7g6 H7g6 H7k6

Figure 3.20

Tolérances applicable au guidage [16].

3.4 La manutention Une fois assemblé, le moule peut peser jusqu’à plusieurs centaines de kilogrammes, ce qui rend son déplacement, et sa manipulation impossibles sans intervention d’un engin de levage. Pour cela il faut prévoir l’emplacement des crochets de manutention selon le poids du moule. Ceci d’une façon à éviter toute sorte de déformation ou de distorsion lors de ces manœuvres qui peuvent s’avérer délicates dans certains cas. L’emplacement de ces crochets est normalisé ; Mais parfois calculé 72

4 Matériaux des moules Le tableau qui suit récapitule les matériaux utilisé : Tableau 3.1

Matériaux des moules.

Le composent

Le nombre

Matériaux

Semelle

01

C 38

Plaque porte empreinte

01

C48

Colonne de guidage

04

10NiCr6

Doigt de démoulage

/

10NiCr6

Douilles de centrage (milieu)

04

C10

Buse d’injection

01

35NiCr15

/

C38

Plaque d’appui

01

C48

Tasseaux

02

C38

Plaques d’éjection

01

C38

Contre plaque d’éjection

01

C48

Douille de centrage (éjection)

04

C10

Bague de positionnement

01

C10

Queue d’éjection

01

C48

/

X40CrMoV5

Tiroir

Ejecteur

73

D Conception des pièces

74

1 Présentation du projet Il s’agit de concevoir un moule multi empreintes différentes, qui produira par cycle quatre (04) pièces (deux pièces supérieures et deux pièces inférieures).

1.1 Ressources informatique Tout le long de projet, l’utilisation des ressources informatiques ainsi que des techniques spécifiques à la conception des moules d’injection ; est indispensable. C’est afin d’aboutir à un résultat qui satisfera le cahier de charge de chaque pièce moulée. Nous allons présenter un aperçu sur les différentes ressources utilisées.

1.1.1 Logiciel de conception et simulation mécanique Dans ce projet la conception et diviser en deux partie ; la première consiste à concevoir les modèles géométriques des deux pièces en 3D. La conception des éléments du moule fait l’objet de la deuxième partie. 

Le logiciel SolidWorks 2014 SolidWorks est un logiciel de conception mécanique 3D paramétrique qui tire profit de l’interface graphique Microsoft® Windows®. Grâce à cet outil, les ingénieurs en mécanique peuvent produire des modèles et des mises en plan précises, les avantages de celui-ci sont :  Possède une large gamme d’outils de CAO pour la conception mécanique.  Permet de valider les conceptions.  Permet de faire la gestion des données techniques.

Nous allons utiliser ce logiciel pour la conception et la vérification des pièces.



Le logiciel I-MOLD v12 C’est un modeleur 3D utilisant la conception paramétrique intégré dans SOLIDWORKS,

ainsi que des fonctions propres au moulage, qui permet la conception intégrale des moules à injection plastique.

75

1 Présentation du projet

1.2 Présentation des pièces

1.1.2 Logiciel de simulation rhéologique 

AUTODESK SIMULATION Moldflow v2015

Le logiciel de simulation de moulage par injection des pièces en plastique AUTODESK MOLDFLOW, intègre des outils de validation et d’optimisation des conceptions des moules, à travers plusieurs types d’analyse s’appliquant au processus de moulage par injection de matières plastiques. L’objectif de l’utilisation de ces simulateurs et de réduire le recours au prototypage et les essayes expérimentaux couteux. Moldflow permet de : Simuler l’écoulement des matières plastiques fondues dans les moules afin d’optimiser les conceptions et de réduire les problèmes de moulage. 

D

Modéliser et optimiser les systèmes de canaux chauds et froids et les configurations de seuils d’injection



Améliorer l’efficacité du système de refroidissement des moules



Simuler les processus de moulage des matières plastiques



Améliorer la précision de la simulation à l’aide de données de matériaux précises.

1.2 Présentation des pièces  Pièce supérieure Cette appellation vient directement de son positionnement lors de la mise en service

Figure 4.1

Représentation de la pièce supérieure. 76

CONCEPTION DES PIECES



1 Présentation du projet

1.2 Présentation des pièces

Le tableau suivant récapitule les cotes et dimensions nominales de la pièce : . de la pièce supérieure. Tableau 4.1 Dimension et cotes nominales Dimensions et cotes nominales Volume

2730.85 mm3

Diamètre nominal

40 mm

Epaisseur nominale

1.5 mm

 Pièce inferieure Idem, l’appellation vient directement de son positionnement lors de la mise en service :

Figure 4.2

CONCEPTION DES PIECES

D

Représentation de la pièce inferieure.

Le tableau suivant récapitule les cotes et dimensions nominales de la pièce : Tableau 4.2 Dimension et cotes nominales de la pièce inférieure. Dimensions et cotes nominales Volume

1724.48 mm3

Diamètre nominal

30 mm

Epaisseur nominale

1.6 mm

77

1 Présentation du projet

1.3 Matériaux utilisé

 Assemblage des pièces Les deux pièces vont être assemblées comme montré ci-dessous :

CONCEPTION DES PIECES

D

Figure 4.3

Représentation de l’assemblage des deux pièces.

La liaison est réaliser grâce aux : 

gorge extérieure de la pièce inférieure ;



gorge intérieure de la pièce supérieure.

1.3 Matériau utilisé Il s’agit du composite PA66.FV30 : polyamide chargé de fibre de verre a 30 % : polymère technique très utilisé pour son retrait au moulage homogène.

78

2 Model CAO des pièces Dès l’obtention des échantillons des pièces, nous avons récupérer les différentes cotes de chaque pièce. Puis nous avons modélisé le model géométrique de chacune des pièces.

2.1 Les modèles géométriques  La pièce supérieure

Figure 4.4

Model CAO de la pièce supérieure.

 La pièce inferieure

Figure 4.5

Model CAO de la pièce inferieure.

79

3 Vérification de conception 3.1 Analyse des épaisseurs L’analyse des épaisseurs nous permet de déterminer les épaisseurs dans toutes les zones de la pièce et de détecter les zones épaisses, pour les modifier en cas de nécessité.

 Pièce supérieure

>3 mm 2.4 mm 1.9 mm 1.3 mm 0.8 mm Figure 4.6

Cartographie des épaisseurs de la pièce supérieure(P1).

 Pièce inferieur

>3 mm 2.4 mm 1.9 mm 1.3 mm 0.8 mm Figure 4.7

Cartographie des épaisseurs de la pièce inferieure(P2).

80

3 Vérification de la conception

3.2 Analyse des dépouilles

Nous remarquons tout de suite, que les pièces ne contiennent pas des zones ayant des surépaisseurs significatives.

3.2 Analyse de dépouille Pièce supérieure Pour faciliter le démoulage et l’éjection de la pièce, et éviter ainsi sa déformation, un angle de dépouille de 0.25° à 3° est nécessaire sur toute face. Dans notre cas nous avons opté pour un angle de 0.25°. Les résultats sont représentés ci-dessous :

D Dépouille négative

CONCEPTION DES PIECES



Dépouille positive

Figure 4.8

Résultat d’analyse de dépouille (P1).

Interprétation Les faces en vert (a droite de la face en rouge) sont a dépouille positive, donc elle doit appartenir a l’empreinte partie injection. Les faces en rouge (et tous ce qu’est a gauche) sont a dépouille négative, donc elle doit appartenir a l’empreinte partie éjection.

81

3 Vérification de la conception

Pièce inferieure De la même nous avons opté pour un angle de 0.25°, car notre pièce est de petites dimensions. L’analyse à révéler le résultat représenté dans la figure suivante :

Dépouille négative Dépouille positive

Figure 4.9

D CONCEPTION DES PIECES



3.2 Analyse des dépouilles

Résultat d’analyse de dépouille (P2).

Interprétation Les faces en vert sont à dépouille positive, donc elle doit appartenir a l’empreinte partie injection. Les faces en rouge sont à dépouille négative, donc elle doit appartenir a l’empreinte partie éjection

82

3 Vérification de la conception

3.3 Analyse des contre dépouilles

3.3 Analyse des contre dépouille 

Pièce supérieure

Cette figure montre le résultat d’analyse de contre dépouille :

Zone contre dépouille Zone sans contre dépouille



D

Représentation du résultat d’analyse de contre dépouille (P1

CONCEPTION DES PIECES

Figure 4.10

Pièce inferieure

La figure qui suit montre en rouge, les zones a contre dépouille :

Zone contre dépouille Zone sans contre dépouille

Figure 4.11

Représentation du résultat d’analyse de contre dépouille (P2).

Interprétation Les zones en rouge nécessitent un démoulage transversal, donc des tiroirs sont a envisager.

83

4 Validation de la conception Après achèvement des vérifications, on constate que : 

Les pièces vont se démouler facilement, car elle dispose d’un angle de dépouille approprié.



L’utilisation des tiroirs est inévitable pour le démoulage des contre dépouille des deux pièces.



Aucune zone de surépaisseur n’est constatée.

Pour conclusion, nous pourrons prédire la moulabilité des deux pièces, sans problèmes d’éjection ; à condition d’utiliser des tiroirs pour démouler les zones a contre dépouille détecter. Donc, les géométries des pièces sont validées.

84

E Simulation rhéologique

85

Introduction Pour accomplir la démarche de conception d’un moule, la simulation du process d’injection est incontournable, ce qu’il nous amène à suivre les étapes suivantes : 



Préparation de la simulation rhéologique : 

Pré-dimensionnement du système d’alimentation.



Pré-dimensionnement du système de régulation.

Modélisation de l’alimentation, puis la vérification (équilibrage + condition de remplissage).



Modélisation de la régulation, puis simulation thermique des circuits.



La simulation de l’ensemble (pièce + alimentation + régulation + interaction).



Interprétation des résultats, puis validation ou proposition de solution jusqu’ a avoir les résultats souhaités.

86

1 Préparation de la simulation La préparation se fait par un pré dimensionnement du système d’alimentation, ainsi que celui de la régulation. Après simulation ces derniers seront ajustés d’une façon à résoudre les problèmes rencontrés. Les résultats obtenus après correction vont permettre de modéliser ces systèmes.

1.1 Conception du système d’alimentation 1.1.1 Règles de conception



La carotte Sa conception est régie par les règles suivantes : 

Les carottes doivent être aussi courtes que possible, avec un fini de surface très lisse.



L’extrémité côté canal doit être bien évasée pour éviter que la résine ne subisse un cisaillement excessif au passage.



Une cheminée de forme conique est croissante (8°)



Rayon Buse Moule > Rayon Buse Presse pour éviter les bavures



Diamètre de base > Largeur canal primaire ou épaisseur maxi de la pièce.



Il faut que le tire-carotte soit suffisamment long mais mince pour se solidifier avant la fin du cycle. La Figure 5.1 ci-dessous montrant quelques contraintes de dimensionnement de carotte.

87

1 Préparation de la simulation

Figure 5.1

1.1 Conception du système d’alimentation

Exemple de contrainte de dimensionnement de carotte.

 Canaux d’alimentation Sa conception est régie par les règles suivantes : La section circulaire est la géométrie optimale à privilégier.



Il faut éviter d'alimenter les empreintes les unes au travers des autres



Il faut équilibrer les canaux, d’une façon à ce que les empreintes se remplissent

E

au même temps, et avec la même pression 

Les canaux doivent rester ouverts jusqu’à ce que toutes les empreintes soient correctement remplies et la matière compactée ;



Ils doivent être suffisamment grands pour garantir un écoulement adéquat, une perte de pression minimale et aucune surchauffe c’est-à-dire : que le taux de cisaillement sur la résine soit minimum (particulièrement aux points d’injection).



Réduire les dimensions et les longueurs des canaux au minimum compatible avec le temps de cycle le plus court possible.

 Seuil d’injection Sa conception est régie par les règles suivantes : 

Le point d’injection doit être situé dans la section la plus épaisse



Une zone soumise à des chocs ou à des flexions ne doit pas être retenue comme emplacement du point d’injection



Le point d’injection ne doit pas entraîner la formation d’une ligne de soudure dans une zone critique.



Le seuil doit être placé d’une façon a ne pas nuire a l’aspect de la pièce 90

SIMULATION RHEOLOGIQUE



1.1 Conception du système d’alimentation

1 Préparation de la simulation 

L’emplacement du seuil doit assurer un remplissage rapide et homogène



Le seuil doit permettre la séparation de la pièce et de l’alimentation



La section du seuil doit assurer un compactage optimal.

1.1.2 Pré dimensionnement de l’alimentation Pré-dimensionnement des canaux Le diamètre du canal Dc doit être égal à l’épaisseur nominale de la pièce E, plus 1.5mm [20]. C’est à dire :

Dc = E + 1.5mm

Dans notre cas le moule est sensé reproduire deux paires de pièces :

E

Pièce supérieure (P1) : v1= 2730.85 mm3, E1=1.5mm ; Pièce inférieure (P2) : v2= 1724.48mm3, E2= 1.6mm. Avec v1, E1sont successivement le volume et l’épaisseur nominale de la pièce supérieure. v2, E2sont successivement le volume et l’épaisseur nominale de la pièce inférieure.

Nous remarquons directement que les volumes sont différents, donc y a besoin d’équilibrer : Nous passons au calcul des pourcentages volumique des pièces : Nous obtenons le résultat qui suit :

Pièce supérieure représente 61.3 % du volume des deux empreintes. Pièce inférieure représente 38.7 % du volume des deux empreintes.

Nous commençons par dimensionner le canal de la pièce la plus volumineuse ; Pièce supérieure (P1) : A.N :

D1 = 1.5 + 1.5 D1=3mm

donc ;

91

SIMULATION RHEOLOGIQUE



1 Préparation de la simulation

1.1 Conception du système d’alimentation

Avec : D1, diamètre du canal d’alimentation menant a la pièce supérieure (P1).

Par la suite, nous calculons : S1, S2, D2 avec : S1 : section du canal d’alimentation menant à la pièce supérieure (P1). S2 : section du canal d’alimentation menant à la pièce supérieure (P2). D2 : diamètre du canal d’alimentation menant à la pièce supérieure (P2).

S1 = 3.14 x D x D/4

A.N :

S1 = 3.14 x 3 x3 /4

E SIMULATION RHEOLOGIQUE

S1=7.065 mm2 On en déduit S2 :

S2 = S1 x 38.7/61.3 S2=4.46mm2

Et puis on en déduit D2 :

D2 = 2√(S2/3.14) x 2 D’ où :

D2= 2.4mm. 

Pré-dimensionnement de la carotte On calcule d’abord la section totale des orifices de sortie St :

St = 2 x (S1 + S2) St=23.05mm2 92

1.1 Conception du système d’alimentation

1 Préparation de la simulation Donc :

On en déduit le diamètre minimal a appliqué au bout de la carotte Dcarotte:

Dcarotte = 2√(Ss/3.14) x 2

Nous obtenons Dcarotte = 5.41mm, on opte pour :

Dcarotte=6mm



Choix et pré-dimensionnement des seuils d’injection 

Choix

On a opté pour un seuil latéral d’une section ayant une forme de demi-cercle.

SIMULATION RHEOLOGIQUE



E

Justification du choix

Le choix se justifie par la mise en priorité de:  l’aspect de chaque pièce : le seuil est placé dans une zone invisible lors de leur utilisation, ainsi que les lignes de soudure  elle permet d’utiliser un moule a deux plaques : simplicité du moule (fabrication et entretien), et réduction du temps du cycle  la réduction du coup de reviens du moule, et donc de la pièce  la possibilité de décarottage manuel par un seul opérateur, car le temps de cycle est pré estimé a environ 25 seconde. 

Pré-dimensionnement des seuils

Ds, étant le diamètre de seuil ;

Ds < 1.5E Donc :

Ds1= Ds2=2mm

93

1 Préparation de la simulation

1.2 Conception de la régulation

La longueur de chaque canal est fixé a 10cm, qui est une contrainte imposé par la taille de l’ensemble pièce plus tiroirs. La longueur de la carotte est fixé a 10cm, qui est une contrainte imposé par l’épaisseur de la plaque porte empreinte (n’est pas définitive). La figure qui suit représente une modélisation 3D du système d’alimentation pré dimensionné :

Pièces Carotte Canal d’alimentation

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Figure 5.2 Système d’alimentation modélisé sous MOLDFLOW.

1.2 Conception de la régulation

La conception de la régulation peut se faire en suivant les étapes suivantes : 

estimation du temps de refroidissement : Cela se fait soit par : 

l’utilisation des abaques ; en fonction de l’épaisseur de la pièce chose qui n’est pas faisable dans notre cas car on dispose de pièces d’épaisseurs différentes Ou



un calcule analytique ; se basant sur l’estimation des contraintes interne en fonction du temps de refroidissement, chose qui n’est pas évident car les géométries sont complexes 94

1.2 Conception de la régulation

1 Préparation de la simulation Ou 

l’utilisation d’un logiciel de calcul rhéologique, qui résout les mêmes modèles thermo mécaniques avec la méthode éléments finis.

Dans notre cas on a opté pour la troisième méthode ; le temps proposé par la simulation est de 10s ;

Tref = 10s

Etablissement d’un bilan thermique : Cela se fait par l’émission de certaines hypothèses simplificatrices : 

La chaleur apportée par le polymère est évacuée du moule par convection avec le liquide de refroidissement, c'est-à-dire qu’on néglige les échanges (conductifs, convectifs et radiatifs) avec son environnement La résistance thermique du matériau du moule est négligée. Donc la chaleur dégagée par le polymère doit être évacué par le fluide de refroidissement :

E

𝐐𝐩 = 𝐐𝐟

SIMULATION RHEOLOGIQUE



Or

𝐐𝐏 = (𝐓𝐢𝐧𝐣 − 𝐓𝐌) 𝐱 𝐂𝐩 𝐱 𝛒𝐩 𝐱 𝐕𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 Avec: Tinj: température d’injection de la pièce, elle dépend que de la matière plastique utilisée, la valeur est prise dans un intervalle proposé par le fabriquant. TM : température surface du moule, elle est aussi proposé par le fabriquant de la matière. Cp : capacité calorifique du thermoplastique.

ρp: masse volumique du plastique. Vtotal : égal a la somme des volumes des empreintes et du système d’alimentation.

𝐐𝐟 = 𝚫𝐓𝐟 𝐱 𝐂𝐟 𝐱 𝛒𝐟 𝐱 𝐪𝐯𝐟 𝐱 𝐭𝐫𝐞𝐟 Avec : ΔTf : différence de température de fluide entre l’entré et la sortie du moule. Cf : capacité calorifique du fluide de refroidissement. 95

1.2 Conception de la régulation

1 Préparation de la simulation ρf : masse volumique du fluide.

qvf : débit volumique de l’écoulement du fluide caloporteur. tref : temps de refroidissement des pièces, définie comme le temps supplémentaire requis à la fin du compactage jusqu'à l'éjection.

En général, la matière dans la partie centrale de la paroi de la pièce atteint la température de solidification (point Vicat) et se solidifie durant la phase de refroidissement. La durée de refroidissement représente environ 80% de la durée totale du cycle. On dit que le temps de refroidissement est atteint que lorsque, plus de 80% du volume de la pièce atteint une température inférieure a la température d’éjection, donc on aura a la surface de la pièce une température égale a celle de la surface du moule ; ce que il justifie l’utilisation de la température de la surface du moule dans le calcul

E SIMULATION RHEOLOGIQUE

précédent. Pour assure un bon échange de chaleur l’écoulement doit être turbulent Donc Re (nombre de Reynold) doit être supérieur a 4000.

Sachant que :

𝐑𝐞 =

𝟒 𝐱𝐪𝐯𝐟 𝟑. 𝟏𝟒 𝐱 𝛖𝐟 𝐱 𝐃𝐜

Avec :

υf : viscosité cinématique du fluide de refroidissement. Dc : diamètre du canal de refroidissement. On en déduit :

𝐃𝐜 =

𝟒 𝐱 (𝐓𝐢𝐧𝐣 − 𝐓𝐌) 𝐱 𝐂𝐩 𝐱 𝛒𝐩 𝐱 𝐕𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 𝚫𝐓𝐟 𝐱 𝐂𝐟 𝐱 𝛒𝐟 𝐱 𝐑𝐞 𝐱 𝟑. 𝟏𝟒 𝐱 𝛖𝐟 𝐱 𝐭𝐫𝐞𝐟

C’est l’équation qui permet de déterminer le diamètre maximale que l’on peut utiliser pour le canal de refroidissement. 96

1.2 Conception de la régulation

1 Préparation de la simulation

Liquide de refroidissement : On a dimensionné par rapport au liquide de refroidissement le plus utilisé qu’est l’eau pure. Le débit du liquide de refroidissement est calculé à partir de la loi le reliant au nombre de Reynold et le diamètre du canal. La température du liquide est choisie d’une manière à avoisiner la température de la surface du moule désiré (un écart de 10 a 15°c est préconisé). Donc environ 60c°.

A.N : Tinj = 290°c, TM = 73°c

ΔTf = 1°c, pour assurer un refroidissement uniforme, il faut maintenir l'écart de température entre l'entrée et la sortie dans une plage de 1à 3°C. J

Cf = 4180 Kg . C, υf = 10 − 6

m2 s

, tref = 10s,

Re = 6000, c’est choisi pour assurer un écoulement turbulent et non laminaire, lors d'un écoulement laminaire, la chaleur est uniquement transférée par conduction, d'une couche à l'autre. En revanche, lors d'un écoulement turbulent, le transfert de masse dans la direction radiale permet le transfert de chaleur par conduction et par convection à la fois. Il en résulte une efficacité considérablement améliorée. On aura comme résultat : Dcmax=21.50mm Dans notre cas, on opte pour une disposition du genre :

(Pièce supérieur + Pièce inférieure) // (Pièce supérieur + Pièce inférieure). Donc le diamètre capable refroidir l’ensemble : Pièce supérieur + Pièce inférieure : Est :

𝐃𝐂 = 𝐃𝐜𝐦𝐚𝐱 /𝟐

d’où :

Dc=10.80mm. 97

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Cp = 1248 J/Kg. C, ρp = 1198.6Kg/m3, Vtotal = 12.63 x 10 − 6m3

1.2 Conception de la régulation

1 Préparation de la simulation

Maintenant pour vaincre la résistance thermique de matériau du moule : On va placer de part et d’autre du plan de joint un système de plusieurs canaux, Donc on va encore diviser le diamètre : Dcmax = 10.80/2 , donc : 𝐃𝐜 = 𝟓𝐦𝐦

5mm ; c’est le diamètre que nous allons utiliser dans les deux coté du plan de joint, pour refroidir les deux pièces en série (Pièce supérieur + Pièce inférieure).

Pour assurer un refroidissement uniforme, les canaux doivent se situer a une distance Dsc du plan de joint, et distancé l’un de l’autre d’une distance Dcc. Dsc = 2.5 D

E

[14]

SIMULATION RHEOLOGIQUE

Dcc = 3D On obtient : 𝐃𝐬𝐜 = 𝟏𝟐. 𝟓𝐦𝐦

,

𝐃𝐜𝐜 = 𝟏𝟓𝐦𝐦

Le nombre de canaux, sera celui qui permet de couvrir la géométrie de la pièce Le débit calculé est de :

𝐪𝐯𝐟 = 𝟏. 𝟒𝐋/𝐦𝐢𝐧

Les résultats de ce calcule seront modélisé dans le logiciel de calcul rhéologique. La figure suivante montre une illustration du système modélisé :

System de régulation System d’alimentation

Figure 5.3

Système alimentation et régulation modélisé sous MOLDFLOW. 98

2 Simulation du système d’alimentation C’est une analyse partielle, faite sur AUTODESK SIMULATION MOLDFLOW ADVISER (ASMA) :

2.1 Analyse inspection des canaux

C’est une analyse qui permet d’optimiser la conception de l’alimentation, ayant pour objectif de réduire le maximum de volume matière, tout en gardant un écoulement plastique adéquat ; c'est-à-dire : pas de réchauffement excessif de matière, pas de taux de cisaillement dépassant la valeur permise par le thermoplastique. L’analyse a dégagé les résultats suivants : Tableau 5.1 Résultats Résultats inspection inspection des des canaux. canaux. L’élément Carotte (conique)

P1 Canaux P2

Taille originale

Taille conseillé

Φ

3 et 6 mm

2 et 4.02 mm

L

25mm

25mm

Φ

3 mm

2.4 mm

L

118mm

118mm

Φ

3 mm

2.6 mm

L

118mm

118mm

Φ

2 mm

1.46 mm

L

5mm

5mm

Φ

2 mm

1.62 mm

L

5mm

5mm

P1 Seuil P2

99

2.2 Analyse d’équilibrage des canaux

2 Simulation du system d’alimentation

Les valeurs retrouvé pour la carotte et les seuils vont être appliqué directement sur le modèle, par contre pour les canaux, ils serviront à définir les contraintes d’équilibrage des canaux : diamètre minimal à utiliser est de 2.4mm.

2.2 Analyse d’équilibrage des canaux Cette analyse va nous permettre de retrouver le diamètre de chaque canal, d’une façon a avoir un remplissage identique dans chaque empreintes : même temps, et même pertes de charge. Les diamètres conseillés sont les suivants :

E

𝐃𝐜𝟐 = 𝟐. 𝟕𝐦𝐦

SIMULATION RHEOLOGIQUE

𝐃𝐜𝟏 = 𝟐. 𝟔𝐦𝐦,

100

3 Simulation du système de régulation Pour vérifier l’efficacité des circuits de régulation, on procède a une analyse thermique du moule SOUS AUTODESK SIMULATION MOLDFLOWADVISER (ASMA).

3.1 Analyse thermique du moule C’est une analyse qui ne s’intéresse qu’aux échanges thermique entre l’ensemble pièces, alimentation, les circuits de refroidissement et le milieu extérieur, lors du cycle d’injection. L’analyse adopte plusieurs hypothèses simplificatrices. Les résultats de cette analyse sont récapitulés dans ce tableau :

Tableau 5.2 Résultat d’analyse thermique du moule. Résultat

Valeur

Pression du circuit

15.7 KPa

Température de liquide de refroidissement

[57, 60c°]

Température pièce

[65, 70 c°]

Temps de refroidissement pièces

[4, 6s]

101

3 Simulation du system de régulation

3.1 Analyse thermique du moule

Interprétation des résultats

La température du liquide de refroidissement baisse d’environ 3 c°, ce qui dû aux échanges thermique avec le métal du moule qui est a la température ambiante (25 c°). La température pièce est au voisinage de la température désirée (70 c°). Le temps de refroidissement pièces est proche de la valeur prévue, qui est de 10s pour l’ensemble pièces plus alimentation. La pression du circuit n’est pas énorme. Apriori, on peut valider le pré-dimensionnement de la régulation.

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

102

4 Simulation rhéologique finale La simulation rhéologique finale prend en charge l’interaction entre tous les phénomènes qui prennent lieu lors du cycle, elle est faite sur AUTODESK SIMULATION MOLDFLOW INSIGHT. Elle comporte plusieurs volets : Analyse de remplissage et compactage ; Analyse thermique ; Analyse de gauchissement.

Avant de passer à l’analyse, et bien sûr après modélisation de l’ensemble, on a paramétré le process ; Température d’injection : 290 c° ; Température surface du moule : 70 c

103

4 Simulation rhéologique finale

4.1 Analyse remplissage

4.1 Analyse de remplissage 

Zone de remplissage du polymère

Ce résultat, permet de détecter les zones non remplies des pièces :

E

Résultat d’analyse Zone de remplissage du polymère.

SIMULATION RHEOLOGIQUE

Figure 5.4

Cette figure montre en vert toutes les zones remplies, donc le remplissage est total. 

Temps de remplissage

Ce résultat permet d’indiquer le temps de remplissage en tout point du polymère :

Figure 5.5

Résultat temps de remplissage

104

4 Simulation rhéologique finale

4.1 Analyse remplissage

Le temps est calculé d’une façon à optimiser le remplissage : 

Réduire au maximum le temps de remplissage ;



Eviter des taux de cisaillement et ainsi des réchauffements excessifs.

Le temps maximal constaté est de 0.74s, valeur qui sera appliqué sur la presse. 

Pression au point d’injection

Ce dernier correspond au diagramme P(t) (figure 5.6): La pression grimpe de 0 à 103MPa pendant 0.74s ; c’est la phase injection. Puis la pression se stabilise à 83MPa pendant 10s ; c’est la phase compactage. Une fois les seuils sont solidifiés, la pression rechute pratiquement a 0MPa ; c’est la phase refroidissement, ça dure environ 5s.

E SIMULATION RHEOLOGIQUE

Cette courbe doit être introduite à la presse d’injection.

Figure 5.6



Résultat pression au point d’injection.

Température au front d’écoulement

C’est un résultat qui permet de vérifier une éventuelle détérioration du polymère suite à un échauffement ou refroidissement excessif. L’intervalle toléré est une donnée de matériaux, dans notre cas : [280c°,320c°] 105

4 Simulation rhéologique finale

Figure 5.7

4.1 Analyse remplissage

Résultat Température au front d’écoulement.

L’intervalle de température est : [282.4c°, 304c°], donc y a aucun risque de détérioration. 

Taux de cisaillement

C’est un résultat qui permet de vérifier l’existence d’une dégradation des qualités mécanique suite à un taux de cisaillement excessif :

Figure 5.8

Résultat Taux de cisaillement.

106

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

4 Simulation rhéologique finale

4.1 Analyse remplissage

Notre matériau impose un taux maximal de 60000/s, or que le taux maximal constaté est de 15000/s, donc y a aucun risque de dégradation mécanique. 

Tenseur d’orientation L’orientation des fibres nous indique sur les contraintes résiduelles (figure 5.9).

On remarque bien que pour la pièce supérieure l’orientation est très uniforme (linéaire), donc on prévoit une contrainte résiduelles très faibles. Pour la pièce inférieure l’orientation est légèrement détournée à cause du creux central, mais cela reste dans le cadre d’acceptable.

Figure 5.9



SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Résultat tenseur d’orientation des fibres.

Retrait volumique Ce résultat nous permet d’estimer le retrait volumétrique, et d’éviter le retrait non

uniforme (figure 5.10) : On remarque bien que la valeur du retrait volumétrique est de 2.6 % dans la totalité des pièces, ce qui est signe d’un très bon compactage.

107

4 Simulation rhéologique finale

4.1 Analyse remplissage

Figure 5.10 Résultat retrait volumique.



SIMULATION RHEOLOGIQUE

E Emprisonnement d’air

Ce résultat nous indique l’emplacement des évents (figure 5.11) :

Figure 5.11

Résultat emprisonnement d’air.

108

4 Simulation rhéologique finale

4.1 Analyse remplissage

On remarque bien que les pièces n’emprisonnent pas d’air, chose qui sera confirmé ou pas lors des essayes.



Ligne de soudure Ce résultat (figure 5.12) nous indique l’emplacement des lignes de soudure qui

constitue un endroit de fragilité mécanique et probablement un défaut d’aspect, donc on doit s’assurer qu’ils sont placé dans une région moins sollicité, et ou l’aspect n’a pas d’influence. On remarque bien que les lignes de soudure n’ont aucune influence sur l’aspect et les propriétés mécaniques des pièces.

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Figure 5.12 Résultat lignes de soudure.



Estimation des retassures

On remarque que la valeur des retassures est entre 0.005 mm et 0.01mm, résultat qui est très positive. (Voir figure 5.13)

109

4 Simulation rhéologique finale

4.2 Analyse thermique

Figure 5.13 Résultat estimation des retassures

 Force de fermeture La force de fermeture nécessaire calculée est d’environ 50MPa.

4.2 Analyse thermique  Température du liquide de refroidissement Le liquide (60 c°) doit évacuer la chaleur dégagé par le polymère (290 c°), mais aussi il doit lui-même évacuer de la chaleur vers le milieu extérieur (supposé a 25 c°), le résultat est le suivant :

Figure 5.14 Résultat température du liquide de refroidissement. 110

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

4 Simulation rhéologique finale

4.2 Analyse thermique

On remarque que le liquide rentre à 60 c°, et sort à 59.01 c°, ce que s’explique par le fait que les échanges de chaleur sont plus importants avec le milieu extérieur

 Température métal du circuit La température métal du circuit est maximale au niveau des cavités (60.3 c°), et minimale (57 c°) aux extrémités du moule (zones plus proches de l’air ambiant). En autre un écart de 3 c° est signe d’une régulation très bien soignées. Le résultat est représenté dans la figure 5.15

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Figure 5.15 Résultat Température métal du circuit.

 Pression du circuit C’est la pression nécessaire pour faire écouler le fluide caloporteur dans les circuits. Elle nous permet de valider le choix de la presse. Dans notre cas, la pression est de : 15.47 KPa. C’est une valeur qui peut être procuré par la majorité des presses.

 Température moule Ce résultat (figure 5.16) permet d’évaluer la qualité de régulation de la température, or nous avons une consigne à atteindre (70 c°). On constate un intervalle de [65 c°, 75 c°], donc un écart de 5 c° de la consigne, ce qui est très rassurant. 111

4 Simulation rhéologique finale

Figure 5.16 

4.2 Analyse thermique

Résultat température moule.

 Pourcentage de gaine solide Ce résultat (figure 5.17) indique le taux de solidification a la fin du cycle :

SIMULATION RHEOLOGIQUE

E

Figure 5.17

Résultat Pourcentage de gaine solide

On constate un taux de solidification de 100 %, donc on peut éjecter sans problèmes.

 Temps pour atteindre la température d’éjection Ce résultat (figure 5.18) représente le temps nécessaire pour atteindre la température d’éjection, à partir de début du cycle

112

4.3 Analyse de gauchissement

Figure 5.18

Résultat température d’éjection.

E

On remarque que la partie qui se solidifie la dernière et la zone base de la carotte ce si revient à la forte épaisseur de cette zone

4.3 Analyse de gauchissement Le résultat est le suivant :

Figure 5.19

Résultat d’analyse de gauchissement. 113

SIMULATION RHEOLOGIQUE

4 Simulation rhéologique finale

4 Simulation rhéologique finale

4.4 les paramètres important de la simulation rhéologique

Pour les zones d’assemblage la valeur de déplacement est d’environ 0.06mm, donc ça ne cause aucun problème.

4.4 A retenir de la simulation rhéologique Le tableau suivant résume ce qu’il y est à retenir : Tableau 5.3

Les paramètres important de la simulation rhéologique. La pression d’injection P(t),

Paramètre d’injection

Température d’injection Tinj Température du moule Tmoule Diamètre du canal-pièce 1 Dc1

Système d’alimentation

Diamètre du canal-pièce 2 Dc2

E SIMULATION RHEOLOGIQUE

Diamètre de la carotte Dcarotte Diamètre du seuil Dseuil Diamètre du canal Dcanale Système de régulation

Distance entre canaux DCC Distance pièce-canal Dsc

114

5 Conclusion A la fin de ce chapitre, grâce à la simulation, nous sommes à présent amené à : 

Optimiser puis valider le système d’alimentation :



Optimiser puis valider le système de régulation ;



Déterminer les paramètres du process optimisées ; températures, et profile de pression.

Cela va nous permettre de : 

Eviter et canaliser les défauts des pièces, donc améliorer la qualité des pièces ;



Optimiser le temps du cycle ;



Réduire au mieux la consommation d’énergie ;



Réduire les rebuts ;



Réduire le nombre d’essai et de prototypage ;



Réduire le coup de reviens.

115

F Conception du moule

116

Introduction

Après avoir validé les paramètres du process d’injection, ainsi que les paramètres des fonctions alimentation et régulation, nous passons à la réalisation du model géométrique du moule. Ce travail va suivre le cheminement suivant : 

Conception des éléments moulants : empreintes, noyaux, nez de coulisseaux.



Conception des tiroirs.



Conception de l’alimentation.



Conception des circuits de régulation.



Conception des éjecteurs.



Conception de la carcasse.



Conception des autres composants.



Vérification de la conception.

117

1 Conception des éléments moulants 1.1 Préparation des pièces La préparation des pièces se fait selon le cheminement suivant : 

Orienter les pièces correctement.



Appliquer un coefficient de retrait pour le moule, dans notre cas (PA66.FV30), le coefficient est de 1.006.



Création des surfaces de bouchage « en rouge ».



Création des lignes de séparation.



Création des surfaces de séparation.



Affectation des surfaces : noyau empreinte, nez de coulisseau « en vert ».

Le résultat de préparation est présenté dans la figure suivante :

Pièces 1

Pièces 2

Figure 6.1 Préparation des pièces.

118

1 Conception des éléments moulant

1.2 Créations du plan de joint

Interprétation Les faces de couleur rose sont des surfaces du noyau alors que les faces en bleu sont des faces de l’empreinte et le vert correspond aux faces nez de coulisseaux. On remarque aussi la ligne de séparation dans la pièce de gauche qui est utilisée pour permettre la séparation des faces des deux nez de coulisseaux. Dans la pièce de droite on remarque l’existence de faces en rouge qui correspondent aux surfaces de bouchage avec lesquelles on sépare le noyau de l’empreinte dans ces zones vides à l’ origine. D’un autre côté, on remarque l’ajout des surfaces de séparation (en vert), qui permet de délimiter les surfaces des deux nez de coulisseaux.

1.2 Création du plan de joint Le plan de joint d’un moule représente les faces de contact des blocs empreints et

F CONCEPTION DU MOULE

noyau en dehors des zones moulantes. Le choix d’un bon plan de joint permet de faciliter le démoulage et l’éjection. Le plan choisis pour chaque pièce est représenté dans la figure ci-dessous :

Plans de joint Figure 6.2 : Choix du plan de joint (P1 a gauche, P2 a droite).

Figure 6.2

Positionnement des Plans de joint.

119

1 Conception des éléments moulant

1.3 Créations des blocs noyau – empreinte et coulisseau

1.3 Création des blocs noyau - empreinte et coulisseau 

Pièce supérieure (P1) La figure suivante montre une image des model de l’empreinte et du noyau :

Noyau

Empreinte

F Model de l’empreinte et du noyau.

CONCEPTION DU MOULE

Figure 6.3

Les deux nez de coulisseau sont dans la figure ci-dessous :

Figure 6.4 Représentation des deux nez de coulisseau.

120

1.3 Créations des blocs noyau – empreinte et coulisseau

1 Conception des éléments moulant

La figure qui suit illustre l’emplacement des coulisseaux sur le block noyau :



F

Emplacement des coulisseaux sur le block noyau.

CONCEPTION DU MOULE

Figure 6.5

Pièce inférieure (P2)

La figure suivante montre une image des modèles de l’empreinte et du noyau :

Noyau

Figure 6.6

Empreinte

Model de l’empreinte et du noyau.

121

1 Conception des éléments moulant

1.3 Créations des blocs noyau – empreinte et coulisseau

Les deux nez de coulisseau sont dans la figure ci-dessous :

Figure 6.7

Représentation des deux nez de coulisseau.

De la même façon, la figure ci-dessous montre l’emplacement des coulisseaux sur le block noyau :

CONCEPTION DU MOULE

F

Figure 6.8

Emplacement des coulisseaux sur le block noyau.

122

1 Conception des éléments moulant

Création de la configuration Une fois les ensembles (noyau, empreint, et coulisseau) sont créés, on passe à leur duplication, et à leur positionnement. La configuration de ce moule ce fait de manière à avoir quatre (04) blocs repartis par deux façons symétriques par rapport à un axe comme le montre la figure ci-dessous :

Bloc P2

F CONCEPTION DU MOULE



1.3 Créations des blocs noyau – empreinte et coulisseau

Bloc P1

Bloc P2 Bloc P1 Figure 6.9 Configuration du moule.

123

2 Conception des tiroirs

Nous avons choisis parmi les divers propositions, le type de tiroir le plus simple à fabriquer, à mettre en œuvre ainsi qu’à entretenir (voir figure 6.10). Concernant la taille, nous avons opté pour les plus petites dimensions normalisées qui assure la couverture du nez de coulisseau aussi bien que la course d’ouverture nécessaire pour assurer l’éjection des pièces (25mm pour P1, 10mm pour P2). Ensuite pour faciliter l’assemblage et l’interchangeabilité, nous avons utilisé un seul model pour tous les nez de coulisseaux, qui correspond à celui du coulisseau de la pièce P1 (le plus grand).

Figure 6.10

Choix des tiroirs.

Le tiroir se compose de trois composants : 

Le coulisseau (en vert) : Il supporte le nez de coulisseau et il se déplace le long de la glissière usinée dans la plaque porte noyau.



Le doigt : Il assure le guidage en translation transversale du coulisseau.



Bloc de verrouillage (en bleu) : Il empêche l’ouverture du coulisseau sous haute pression.

124

3 Conception de l’alimentation

Idéalement, le circuit d’alimentation doit être conçu avec les paramètres convenus dans la simulation rhéologique. Pour parer à d’éventuelles contraintes inattendues (risque de collision avec les tiroirs lors de l’ouverture du moule), nous l’avons modifié comme suit :

Figure 6.11 Conception de l’alimentation.

125

4 Conception de la régulation Comme le refroidissement est la fonction qui détermine la qualité des pièces, nous avons donné toute l’importance à ce circuit. La régulation est donc conçue exactement avec les paramètres parvenus dans la simulation rhéologique : 

La distance entre canaux : Dcc=15mm



La distance entre plan de joint et canaux Dsc=13mm.



Suppression du canal central pour optimiser le compactage.

Le système conçu est le suivant :

Figure 6.12

Conception de la régulation.

126

5 Conception du système d’éjection Les éjecteurs sont sensé dégager les pièces de leurs logement (coté noyau), d’une façon à minimiser les déformations et cacher les marques d’éjecteur. Pour cela il faut : 

Placer le maximum possible d’éjecteur ;



Repartir les éjecteurs d’une façon symétrique.

Dans notre cas, nous avons utilisé quatre éjecteurs pour chaque pièce. Il s’agit d’éjecteurs cylindriques de 02 mm de diamètre. Les deux figures qui suivent présentent le système d’éjection utilisé pour chaque pièce :

Figure 6.13

Système d’éjection (P1).

Les éjecteurs se limitent au plan de joint.

127

Conception du system d’éjection

5 Conception du system d’éjection

Figure 6.14

Système d’éjection (P2).

Les éjecteurs se limitent à une distance de 0.5 mm de la face du nez de coulisseau pour permettre le mouvement de ces derniers.

128

CONCEPTION DU MOULE

F

6 Conception de la carcasse Nous avons insérer une carcasse standard du fabricant DME qui couvre toute la géométrie des éléments déjà conçus : 30 x 30 cm et qui offre aussi la course d’éjection nécessaire (10mm).

Figure 6.15

Carcasse du moule.

6.1 Ajout des composants standards Il s’agit de la bague de centrage et la buse d’injection

129

6.1 Conception des composants standards

6 Conception de la carcasse



La bague de centrage Le composant est représenté dans la figure suivante :



Bague de centrage.

F

La buse d’injection

La buse est choisis de tel sorte que son diamètre intérieur correspond au diamètre voulus de la carotte. Le rayon de la buse doit être supérieur à celui de la buse d’injection de la presse. Le rayon extérieur de la buse doit être égal au diamètre intérieur de la bague de centrage. La buse est représentée dans cette figure :

Figure 6.17

Vue en coupe de la buse d’injection.

130

CONCEPTION DU MOULE

Figure 6.16

7 Vérification de la conception Pour valider la conception, une analyse structurelle des éléments est nécessaire. Dans l’analyse, on ne s’intéresse qu’aux éléments jugés les plus vulnérables. Les éléments normalisés ont fait preuve de rigidité, donc on ne s’intéresse qu’aux éléments moulants : noyaux, empreintes nez de coulisseaux.

7.1 Pièce supérieure (P1) 

Empreinte La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge.

Il s’agit de la pression maximale prévue lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.18

Résultat d’analyse statique de l’empreinte (P1).

131

7.1 pièce supérieure

7 Verification de la conception

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant :

Tableau 6.1

Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P1).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

2.142

289.585 MPa

3.602*10-3mm

9.487*10-4

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service. 

Noyau

F CONCEPTION DU MOULE

La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge. Il s’agit de la pression maximale attente lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.19 Résultat d’analyse statique du noyau (P1).

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant : 132

7.1 pièce supérieure

7 Verification de la conception

Tableau 6.2

Résumé des résultats d’analyse statique du noyau (P1).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

2.093

296.468 MPa

3.060 x 10-3mm

8.254 x 10-4

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service. Nez de coulisseau

F

La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge. Il s’agit de la pression maximale attente lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.20

Résultat d’analyse statique du nez de coulisseau (p1).

133

CONCEPTION DU MOULE



7.2 pièce inferieure(P2)

7 Verification de la conception

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant : Tableau 6.3

Résumé des résultats d’analyse statique du nez de coulisseau (P1).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

1.20

520.024 MPa

3.297 x 10-3mm

2.262 x 10-3

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service.



Empreinte La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge.

Il s’agit de la pression maximale attente lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.21

Résultat d’analyse statique de l’empreinte (p2).

134

CONCEPTION DU MOULE

F

7.2 Pièce inferieure (P2)

7.2 pièce inferieure(P2)

7 Verification de la conception

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant :

Tableau 6.4

Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P2).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

3.674

168.857 MPa

1.679 x 10-3mm

8.214 x 10-4

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service. 

Noyau La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge.

F CONCEPTION DU MOULE

Il s’agit de la pression maximale attente lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.22

Résultat d’analyse statique du noyau (P2).

135

7.2 pièce inferieure(P2)

7 Verification de la conception

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant :

Tableau 6.5

Résumé des résultats d’analyse statique de l’empreinte (P2).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

3.036

204.335 MPa

3.704 x 10-3mm

1.497 x 10-3

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service. 

Nez de coulisseau

La figure suivante montre les réactions d’appuis (en vert), et les chargements en rouge.

F CONCEPTION DU MOULE

Il s’agit de la pression maximale attendue lors de l’injection : 103MPa.

Figure 6.23 Résultat d’analyse statique du nez de coulisseau (P2).

136

7.3 Choix des matériaux

7 Verification de la conception

Les résultats de l’analyse sont résumés dans le tableau suivant :

Tableau 6.6

Résumé des résultats d’analyse statique du nez de coulisseaux (P2).

Coefficient de sécurité

Contrainte de Von

Déplacement

Déformation

minimale

mises maximale

résultant maximale

équivalente

2.41

257.164 Mpa

4.65 x 10-3mm

7.887 x 10-4

D’après les résultats, pour un acier allié (limite élastique de 620MPa), nous pourrions affirmer la résistance mécanique de l’élément aux sollicitations qui lui seront appliquées durant le service.

7.3 Conclusion de l’analyse D’après l’analyse, nous pourrons prédire la résistance mécanique de tous les éléments moulants, et par conséquent, de tous les éléments constituants le moule.

7.4 Choix des matériaux Pour assurer les fonctions nécessaires et pour avoir une durée de vie plus longue du moule, on adopte les choix suivants : Pour les plaques empreintes, on préconise un acier dur de bonne trempabilité présentant une faible déformation après traitement thermique : 36NiCrMo16 (35NCD16) et qui peut être substitué par le Z40CDV5 [11].

137

CONCEPTION DU MOULE

F

CONCLUSION GENERALE

La conception d’un moule est un procèdes très complexes. Le concepteur est amené à faire plusieurs choix de solutions technologiques qui peuvent s’affecter mutuellement. Le concept final est donc un ensemble de compromis qui répond aux contraintes rencontrées. Préalablement à toute action dans la conception du moule, une analyse approfondie du problème est nécessaire. Elle permet une meilleure prise en charge des solutions qui doivent être adapté à la problématique initiale. Ces solutions doivent être dimensionnées analytiquement, puis vérifiées et optimisées par la simulation rhéologique sur laquelle tous les choix technologiques des éléments constituants le moule doivent être basés. Ceci laissera une marge de manœuvre pour les cas de changement dus à des inadéquations imprévues. Le concepteur décide de la nécessité d’une nouvelle simulation rhéologique ou pas, et ce selon l’importance des modifications. En fin, une analyse structurelle permet de confirmer la résistance mécanique des éléments du moule, et donc son bon fonctionnement.

138

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