Etude expérimentale et modélisation de l'écoulement de composites thermoplastiques dans les conditions industrielles de mise en forme par injection

par Mariam Benhadou

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux industriels

Sous la direction de Gilbert Villoutreix et de Abdellah Haddout.

Soutenue en 2009

à Paris, CNAM en cotutelle avec l'Université Hassan II .


  • Résumé

    Dans l’optique de la recherche de la performance des matériaux et de la maitrise des processus industriels de transformation, ce travail a pour objet l’étude expérimentale et la modélisation de l’écoulement des composites thermoplastiques dans les conditions industrielles de mise en forme par injection. La première partie traite de l'étude expérimentale dans les conditions industrielles de mise en forme par injection, du comportement rhéologique et de l’étude de l’écoulement, dans des géométries simples, des composites en polypropylène renforcé de fibres de verre courtes. Dans un premier temps nous avons mis en évidence l'influence des paramètres thermomécaniques de transformation par injection sur la viscosité et l’élasticité des différents matériaux à l’aide d’un rhéomètre en ligne. Ces essais ont montré que la viscosité des composites à l’état fondu évoluait, d’une manière non linéaire, en fonction de la température, le taux de cisaillement et le taux de fibres. Cette partie est complétée par une analyse des pertes de charges dans des conditions non isothermes. Par ailleurs, les résultats des mesures rhéologique, nous ont permis de déterminer une loi de comportement rhéologique thermodépendante du composite à différents taux de fibres. Cette loi nous a servi à la simulation de la phase de remplissage de l’empreinte du moule au cours du cycle de moulage par injection. Dans la seconde partie, nous présentons une étude expérimentale à la fois qualitative et quantitative de la distribution et de l’orientation des fibres au cours des différentes phases du moulage par injection. Nous avons mené une étude expérimentale de la distribution des longueurs des fibres au cours de la phase de plastification. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence l’incidence de certains paramètres de réglage de la presse sur la casse des fibres et situer les endroits critiques de la dégradation des fibres. Ensuite, nous avons réalisé une étude expérimentale approfondie de la distribution et de l'orientation des fibres dans des plaques injectées, en fonction des conditions d'injection, de la composition du matériau composite et de la géométrie de la pièce. Nous avons mis en évidence, la formation dans l’épaisseur de la plaque, d’une structure “coeur-peau” à cinq couches avec une couche centrale orientée transversalement à la direction d’écoulement, de deux couches intermédiaires orientées principalement dans la direction d’écoulement et enfin de deux couches de peau légèrement moins orientées que les couches intermédiaires. Les épaisseurs des ces couches varient en fonction des conditions d’injection (températures, vitesses). La dernière partie traite la simulation numérique de la phase de remplissage du processus de moulage par injection des composites en PP/FV, basé sur une loi de comportement rhéologique déduite de l’expérimentation. Nous nous sommes intéressés particulièrement à la prédiction de l’orientation des fibres de verre courtes dans une plaque rectangulaire injectée, en fonction des conditions d'injection (températures, pressions, et vitesses), de la composition du polymère et de la géométrie de la pièce. D’autre part, Nous avons mis en évidence d’influence des paramètres d’injection sur l’évolution de la pression, la température et la vitesse moyenne d’écoulement dans l’empreinte du moule. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures expérimentales.

  • Titre traduit

    Experimental study and modeling of flow of thermoplastics composites in industrial conditions of injection molding


  • Résumé

    In view of the research performance materials and industrial process control processing, this work is the experimental study and modeling of the flow of thermoplastic composites in industrial layout by injection. The first part deals with experimental study in industrial conditions formatting injection of rheological behavior and the study of flow in simple geometries, polypropylene composites reinforced with short glass fibers. At first we highlighted the influence of thermomechanical processing parameters by injection on the viscosity and elasticity of different materials using a rheometer online. These tests showed that the viscosity of composites in the molten state evolved, in a non-linear, depending on temperature, shear rate and the rate of fiber. This part is complemented by an analysis of pressure losses in non-isothermal conditions. Furthermore, results of rheological measurements have been used to determine a thermodependent rheological behavior law of the composite at different rates of fiber. This law has been used to simulate the filling phase of the mold cavity during the cycle of injection molding. In the second part, we present an experimental study both qualitative and quantitative distribution and orientation of fibers during different phases of injection molding. We conducted an experimental study of the distribution of lengths of fibers during the plasticizing phase. This work allowed us to highlight the impact of certain parameters for adjusting the press on fibers break and locate critical location of fiber degradation. Then we conducted a thorough experimental study of the distribution and orientation of fibers in injected plates, depending on the conditions of injection, the composition of the composite material and the geometry of the part. We have demonstrated the presence in the thickness of the plate, a structure "core-skin" to five layers with a central layer oriented transversely to the direction of flow, two intermediate layers mainly oriented in the direction flow and finally two layers of skin slightly less oriented than the intermediate layers. The thicknesses of these layers vary depending on injection conditions (temperature, speed). The last part of this work is devoted numerical simulation of the filling phase of the process of injection molding of composites PP / VF, based on a law deduced from rheological experiments. We are particularly interested in predicting the orientation of short glass fibers in a rectangular plate injected, depending on injection conditions (temperature, pressure and speed), on the polymer composition and on geometry of the part. On the other hand, we have highlighted the influence of injection parameters on the evolution of pressure, temperature and the average velocity in the mold cavity. The simulation results are compared with experimental measurements.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (151 p.-Non pag.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 139-147

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  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
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  • Cote : Th A 660
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  • Cote : Th A 660 double
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