Contribution à l'étude des propriétés mécaniques des structures en polymère injecté : Application aux propriétés élastiques locales et à la modélisation viscoélastique

Contribution to the study of injection molded polymer structures:Application to local elastic properties and to viscoelastic modelization

• Auteur / Autrice : Marc Védrines
• Direction : Yves Rémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Propriétés mécaniques

Polymères

Résumé

La thèse de doctorat présentée présente une étude expérimentale des variations locales des propriétés mécaniques des polymères suivie d'une partie traitant de la modélisation viscoélastique de ces matériaux (PEhD, PA, POM). La variation locale de caractéristiques microscopiques fait fortement évoluer les caractéristiques mécaniques, en particulier dans les zones proches de la paroi du moule. Afin de quantifier ces variations, on a étudié selon différents procédés expérimentaux l'évolution du module d'Young longitudinal dans l'épaisseur d'une éprouvette. A l'aide d'un banc d'essai de flexion vibratoire et d'un outil de traitement et de calcul numérique qui a été développé, il est possible de trouver l'évolution du module d'Young. On constate une évolution : le module augmente de +50 à +187% selon les matériaux. Afin de corréler ces résultats avec la microstructure, différentes expériences ont été menées :- des essais de calorimétrie différentielle par balayage pour mesurer une évolution du taux de cristallinité,- des essais de nanoindentation pour mesurer des variations locales du module et mettre en évidence une anisotropie. Ces essais corrèlent les résultats précédents mais présentent cependant une forte dispersion liée à la fois à l'hétérogénéité de la microstructure et au comportement viscoélastique des polymères. Une étude plus précise nécessite une meilleure modélisation du comportement viscoélastique, en particulier dans la phase de décharge. L'étude de ce problème constitue la seconde partie du travail. Les principaux modèles présentés classiquement en petites déformations ont été testés afin de valider leurs performances. A partir d'essais et de simulation des différents modèles rhéologiques linéaires et non linéaires, le caractère insuffisant de ces modèles a été mis en évidence. Une modélisation acceptable nécessite la prise en compte plus précise de la physique du matériau puis un passage micro macro.

The thesis deals with an experimental study of local variations of mechanical properties of injection molded polymers, followed by a specific part dealing with the viscoelastic modelization of those materials (PEhD, PA, POM). The variation of microscopic parameters strongly influence mechanical characteristics, especially in areas close to the mould walls. The evolution of Young's modulus has been inquired using several experimental devices. With the aid of a vibrational flexural test rig and digital calculation and processing systems that have been developed, it was possible to measure the variation in local Young's modulus as a function of position in the thickness of the test piece The results obtained reveal a large variation in the local Young's modulus over the thickness of an injection moulded piece, in particular in the outer skin zone. The influence of the various operational parameters has been evaluated. In order to correlate those results with microstructure, several other experiments have been led :-differential scanning dilatometry, to measure the evolution of the cistallinity rate,- nanoindentation tests to measure the variation of the local Young's modulus and anisotropy. Those tests validate previous results but present a strong dispersion due to microstructure heterogeneity and viscoelastic behaviour of polymers. Therefore, a better modelization of the viscoelastic behaviour has to be taken into account : this is the point of the second part of the thesis. The classical models of linear and non linear viscoelasticity in small deformation have been identified on experimental traction test and simulated under several conditions (deformation rate jumps, unloading). It is obvious that the classical models are not sufficient to describe properly the viscoelastic behaviour : the physic of the material has to be taken into account.