Study of thermal homogeneity in single-screw plastication process

par Liangxiao Bu

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Jean-Yves Charmeau.

Soutenue le 14-03-2019

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 (Lyon, INSA) (laboratoire) et de Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Barrière.

Le jury était composé de Jean-Yves Charmeau, Thierry Barrière, Nicolas Régnier, Nadine Allanic, Claire Barres, Yves Bereaux.

Les rapporteurs étaient Thierry Barrière, Nicolas Régnier.

  • Titre traduit

    Étude de l'homogénéité thermique dans le processus de plastification à une vis


  • Résumé

    La plastification par monovis, utilisée dans l'extrusion et le moulage par injection, est un moyen essentiel de transformer les thermoplastiques courants et techniques. Dans le moulage par injection, un niveau de fiabilité élevé est généralement atteint, ce qui rend ce processus parfaitement adapté à la production de masse. Néanmoins, des fluctuations de processus apparaissent, faisant du contr ôle de la qualité des pièces moulées un problème quotidien. Dans ce travail, une modélisation combinée de la plastification, du calcul du point de fonctionnement et de la dispersion laminaire est utilisée pour étudier la manière dont les fluctuations thermiques pourraient être générée et se propager le long de la vis et affecter l'homogénéité de la matière fondue à l'extrémité de la section de dosage. Pour ce faire, nous avons utilisé des modèles de plastification pour relier les modifications des paramètres de traitement aux modifications de la longueur de plastification. De plus, un modèle simple de calcul du débit est utilisé pour relier la gééométrie de la vis, la rhéologie du polymère et les paramètres de traitement afin d'obtenir une bonne estimation du débit massique. Par conséquent, nous avons constaté que le temps de séjour typique dans une seule vis est d'environ un dixième de l'échelle de temps de diffusion thermique. Ce temps de séjour est trop court pour que le coefficient de dispersion atteigne une valeur constante mais trop long pour pouvoir négliger la diffusion thermique radiale et recourir à une solution purement convective. Par conséquent, un problème de diffusion-convection complet doit être résolu avec un écoulement de base par déplacement relatif de paroi et par différence de pression. L'importance majeure des paramètres procédé sur la courbe de température moyenne mesurée au cours du temps à l'extrémité de la section de dosage de la vis est démontrée. Lorsque la contre-pression dans l'écoulement est élevée, la fluctuation de température est répartie de manière plus uniforme avec le temps, tandis qu'une chute de pression entraîne une courbe de rupture qui présente un pic de fluctuation plus important. Le logiciel commercial ANSYS Polyflow, appelé Computational Fluid Dynamics (CFD), a été utilisé pour vérifier le modèle. En outre, une analyse thermique et structurelle a été réalisée sur un cylindre de moulage par injection existant, comportant 3 blocs de verre optiques pour la visualisation, dans le but d'analyser l'effet des conditions de fonctionnement sur le facteur de sécurité des fenêtres en verre existantes. Cette analyse a été réalisée avec ANSYS Workbench (Mechanical), avec des problèmes de contact inclus.


  • Résumé

    Single-screw plastication, used in extrusion and in injection molding, is a major way of processing commodity thermoplastics. In injection molding, a high level of reliability is usually achieved that makes this process ideally suited to mass market production. Nonetheless, process fluctuations still appear that make molded part quality control an everyday issue. In this work, a combined modeling of plastication, throughput calculation, and laminar dispersion are used, to investigate how thermal fluctuations could generate and propagate along the screw length and affect the melt homogeneity at the end of the metering section. To do this, we used plastication models to relate changes in processing parameters to changes in the plastication length. Moreover, a simple model of throughput calculation is used to relate the screw geometry, the polymer rheology, and the processing parameters to get a good estimate of the mass flow rate. Hence, we found that the typical residence time in a single screw is around one-tenth of the thermal diffusion timescale. This residence time is too short for the dispersion coefficient to reach a steady state but too long to be able to neglect radial thermal diffusion and resort to a purely convective solution. Therefore, a full diffusion/convection problem has to be solved with a base flow described by the classic pressure and drag velocity field. The major importance of the processing parameters in the breakthrough curve of arbitrary temperature fluctuation at the end of the metering section of the injection molding screw is demonstrated. When the flow back-pressure is high, the temperature fluctuation is spread more evenly with time, whereas a pressure drop in the flow will results in a breakthrough curve which presents a larger peak of fluctuation. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software, ANSYS Polyflow, was used to verify the model. Moreover, a thermal and structural analysis has been performed on an existing injection molding barrel, featuring 3 optical glass blocks for visualization, with the aim of analyzing the effect of operating conditions on the safety factor of the existing glass windows. This analysis was performed using ANSYS Workbench (Mechanical), with contact problems included.


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