Modeling of the mechanical behavior of polytetrafluoroethylene (PTFE) compounds during their compaction at room temperature

par Carole Frédy

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de René Billardon et de Nicolas Schmitt.

Soutenue le 06-11-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Laboratoire de Mécanique et Technologie (laboratoire) .

Le jury était composé de Gilles Régnier, Laurent Orgéas, Djimédo Kondo, Roland Séguéla, Rodrigo B. Canto, René Gy.

  • Titre traduit

    Modélisation du comportement mécanique de mélanges de polytétrafluoroéthylène (PTFE) lors de leur compaction à température ambiante


  • Résumé

    Le PTFE ne peut pas être mis en forme par les procédés classiquement employés pour les polymères. La production de pièce peut se faire par compaction de poudre et frittage. Des charges peuvent être ajoutées à la poudre vierge. Afin de prédire les propriétés de la pièce à vert et d'avoir un outil fiable pour optimiser les paramètres du procédé de compaction, une modélisation du comportement mécanique de poudres de PTFE chargées, ou non, à température ambiante lors du pressage industriel est proposée. La caractérisation expérimentale des matériaux est réalisée grâce à un outil de compaction 3D installé dans la machine triaxiale ASTREE. A partir de ces essais originaux, un modèle Drucker-Prager/cap est identifié. Les variations importantes de densités et de propriétés sont décrites. Le changement de phase cristalline, prenant place à température ambiante et sous pression est également caractérisé, modélisé et implémenté dans le code EF. Ensuite, l'interaction entre le PTFE et l'outil métallique est vue comme un frottement interne entre le film de transfert de PTFE et le reste de la pièce. Elle est modélisée à partir des paramètres déjà identifiés, à savoir le coefficient de frottement interne du Drucker-Prager et la cohésion. Deux tests sont mis en place pour valider le modèle: un outil ¿dométrique instrumenté et un outil original " en V " offrant la possibilité de mesurer le champ de déplacement par Corrélation d'Image Numérique. Des simulations EF de l'ensemble du procédé sont finalement effectuées et comparées aux données industrielles. Les premiers liens entre les étapes de compaction et de frittage sont établis par caractérisation de la texture cristalline par DRX.


  • Résumé

    PTFE is not melt-processible. One of the production methods of PTFE parts consists in the powder compaction at room temperature followed by a thermal treatment, the sintering. Fillers can be added to the virgin powder. In order to be able to predict the properties of the obtained green parts and to have a reliable tool to optimize the parameters of the process, modeling of the mechanical behavior of PTFE compounds during their industrial pressing in big billets is proposed. Experimental characterization is made thanks to a 3D compaction tool, installed in the triaxial machine ASTREE. From original and complex loadings, a Drucker-Prager/cap model is identified, where the variations of density and properties are described. In addition to the elastoplastic model, a phase transformation in the crystalline structure at ambient temperature under pressure is experimentally characterized, modeled and implemented in the FE code. Then the interaction of the PTFE with a metallic counterpart is described as a friction between the PTFE transfer film and the bulk PTFE, characterized by the internal friction coefficient of the Drucker-Prager line once the cohesion of the material is reached. No additional parameter needs to be identified. Two laboratory tests allow the validation of the model, an instrumented œdometric tool and an original ‘V’ tool where the displacement field of the material during the compaction is measured by Digital Image Correlation. FE simulation of the whole compaction process is finally made and compared to industrial data. First links between the compaction and the sintering are established by a characterization of the crystalline texture thanks to XRD.

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