Étude du refroidissement d'un polymère chaud sur une paroi métallique froide : influence des paramètres d'interfaces : application à l'injection des polymères

= Study of a polymer melt cooling on a cold metallic wall : influence of the interfaces parameters in the injection molding process

• Auteur / Autrice : Rabie El Otmani
• Direction : Patrice Chantrenne, Mhamed Boutaous
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et thermique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matières plastiques -- Moulage par injection

Polymères

Résumé

Dans l'industrie de la mise en forme des polymères, il est bien connu que les conditions du procédé influencent fortement la qualité du produit final. La simulation numérique de l'ensemble du procédé est alors nécessaire pour optimiser et comprendre l'interaction entre le procédé, la structure et les propriétés du matériau final. Dans la mise en forme par injection moulage, l'un des problèmes rencontrés dans la simulation numérique est le suivi du front polymère-air (ou de l'interface) lors de la phase de remplissage. La précision de la détermination de l'interface est importante pour décrire correctement les champs de vitesse, la distribution, la pression et l’effet fontaine. Pour ces raisons, l’objectif de ce travail est double. : i- développer un modèle numérique qui décrit un écoulement anisotherme et non-Newtonien simulant la phase de remplissage dans le procédé d’injection moulage. Ii- appliquer ce modèle pour une étude fine du comportement du polymère lors de son écoulement dans le moule, afin d’analyser l’interaction moule-polymère aux interfaces. La méthode de Level-Set, corrigée par une méthode de pénalité afin de la rendre conservative, est utilisée pour représenter le front polymère air dans le moule. Elle est d’abord validée dans différentes configurations, puis appliquée pour la simulation du remplissage d’une cavité rectangulaire par l’écoulement d’un fluide non-Newtonien et anisotherme. Pour ce faire, les équation, de Navier-Stokes, de continuité et d’énergie sont couplées pour décrire l’écoulement et le comportement thermique du polymère fondu. Une méthode d’éléments finis est utilisée pour résoudre ces équations. Les résultats montrent clairement l’effet fontaine. La température, la vitesse, la pression et la viscosité sont calculées et l'influence de la résistance thermique de contact entre le polymère et le moule en métal est également étudiée et ce pour différentes conditions d’injection.

In the polymer processing industry, it's well established that the process conditions influence strongly the quality and final part properties. The numerical simulation of all the process is then necessary to optimise and understand the interaction between the process, the material properties and structure. In the injection moulding process, one numerical difficulty concerns the exact polymer-air front tracking during the filling step. The exact determination of the interfaces is needed to describe precisely the velocity fields, the pressure distribution and the fountain flow phenomena. The two aims of this work are then : i-development of a numerical model describing the non-isothermal flow of non-Newtonian fluids as in the filling stage in the injection molding process. Ii-apply the model to study the mold-polymer interfaces interaction, and to understand the effect of several molding parameters. First, we have proposed a penalty correction for the level set method, in order to ensure the mass conservation. After its validation in various configurations, the method is then introduced in a numerical simulation of a non-Newtonian, non isothermal flow in a rectangular cavity. A strong coupling between the energy, continuity, Navier-Stokes and level-set equations is made in order to describe the polymer behaviour in the mold. A finite Elements Method is used to solve the multiphysics problem. The results show clearly the fountain flow phenomenon. Temperature, pressure, velocity profiles and viscosity evolution are calculated and the influence of the contact thermal resistance between the metallic mold and the moving polymer interface is investigated for different injection molding conditions.