Contribution à l'optimisation de la thermique des outillages dans le procédé d'injection des polymères thermoplastiques

Contribution to the thermal optimization of tools in thermoplastic injection process

• Auteur / Autrice : Alban Agazzi
• Direction : Yvon Jarny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Energétique. Thermique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matières plastiques, Travail des

Contraintes thermiques

Mots clés libres

Thermique outillages

Conformal cooling

Modélisation du refroidissement

Conception du système de régulation thermique

Méthodes inverses

Résumé

Dans le procédé d'injection des matériaux thermoplastiques, les transferts de chaleur dans l'outillage sont transitoires et cycliques, et conditionnent fortement la productivité du procédé ainsi que la qualité des pièces fabriquées. Un refroidissement inapproprié de la pièce peut engendrer des défauts comme des déformations, du retrait, des contraintes résiduelles thermiques. . . Dans cette thèse, une méthodologie est développée, permettant de concevoir le système de régulation thermique d'un outillage, sans a priori sur le nombre, la forme et la position des canaux. Une première étape, consiste à déterminer la répartition spatiale optimale des températures de fluide le long de la surface enveloppe de refroidissement (appelée « dilaté »). Basée sur une approche « conformal cooling », cette surface est créée à partir de concepts de morphologie mathématique. Les objectifs de l'optimisation sont d'obtenir, à la fin de la période de refroidissement prédéterminé, un niveau de température dans la pièce tout en reduisant les gradients thermiques surfaciques. La méthode du gradient conjugé couplé avec la technique du multiplicateur de Lagrange est développée. A partir de cette distribution de température, les canaux de régulation sont conçus, en se basant sur la forme spatiale des isovaleurs de température dans la zone thermique stationnaire du moule. Deux cas simples, en 2D et 2D axisymétrique, sont considérés et les résultats comparés respectivement avec ceux de la littérature et ceux obtenus avec une conception conventionnelle. Finalement, la démarche globale est appliquée pour la conception du système de régulation d'une pièce industrielle 3D. Un dépôt de brevet (« procédé MCOOL ») valorise cette étude.

Heat transfers in thermoplastic injection processes are transient and cyclic. They impact directly the productivity of the process and the quality of the parts. A non efficient cooling can lead to defects in the part like, warpage, shrinkage, thermal residual stresses. . . In this thesis, a methodology is developed that allows the design of the cooling system of the mould with no a priori on the number, the shape and the location of channels. A first stage consists in the determination of the optimal spatial distribution of fluid temperature along a cooling surface (named « dilation »). Based on a conformal cooling approach, this surface is created thanks to morphological mathematic concepts. The objectives of the optimization problem are to reach, at the end of the pre-determined cooling time, a level of temperature in the part while minimizing thermal gradients along the part surface. The conjugate gradient algorithm coupled with a Lagrangian technique is used. From this temperature distribution, cooling channels are designed, by locating the shapes of temperature iso-values in the thermal stationary area of the mould. Two cases, 2D Cartesian and 2D axisymmetric, are considered and results are compared respectively with those from literature and/or got by conventional cooling design. Finally, a global approach is applied for the design of the cooling system of an industrial 3D part. A patent application («MCOOL process ») was filed.