Etude de l'influence des paramètres du procédé de rotomoulage sur les caractéristiques aérodynamiques de fonctionnement d'un ventilateur axial.

par Vu Dinh Dang

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux (AM)

Sous la direction de Farid Bakir.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur , en partenariat avec LIFSE - Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques (laboratoire) et de École nationale supérieure d'arts et métiers (établissement de préparation de la thèse) .


  • Résumé

    Le rotomoulage plastique est un procédé de fabrication qui a été développé dans les années 50. Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport à d'autres (usinage, assemblage, etc.), comme notamment le coût de fabrication des pièces. Il est aujour- d'hui utilisé dans de nombreux domaines d'applications, et anime encore activement la recherche. Dans cette thèse, nous nous intéresserons au domaine des turbomachines. Par exemple, les ventilateurs de refroidissement utilisés dans l'automobile est un mar- ché industriel très actif. Dans le passé, des premières versions d'un ventilateur axial avaient été conçues et fabriquées au sein du Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques pour répondre à ce besoin industriel. Toutefois, aucune analyse réelle n'a été faite en termes de contrôle et d'optimisation de ce procédé de fabrication. Cette thèse s'inscrit donc naturellement dans une dynamique de recherche faisant le lien entre les performances énergétiques du système et le procédé de fabrication. A partir des paramètres du procédé de rotomoulage (masse de poudre du polymère, température dans le four, temps de cuisson), l'idée générale de l'étude réside dans le croisement entre l'échelle macroscopique avec l'analyse qualitative et quantitative de la pièce finale (géométrie, résultats des performances aéromécaniques, etc.) d'une part, et l'échelle microscopique avec l'analyse des propriétés mécaniques et physico-chimiques du matériau d'autre part. Autrement dit, l'objectif de la présente thèse est d'étudier l'influence des paramètres du procédé de rotomoulage sur les caractéristiques aérodyna- miques d'un ventilateur axial. Les résultats des campagnes d'essais révèlent des différences significatives sur l'effi- cacité aérodynamique des ventilateurs. Sur une étude d'un panel de 45 pièces des écarts de l'ordre de ∼ 6% sont mesurés. Point notable, ces différences sont fortement corrélées à la masse de poudre de polymère utilisée pour la fabrication. Pour cette dernière, nous avons utilisé du polyéthylène (PE). Pour justifier ces écarts, une première approche fut de s'assurer du contrôle qualité de la géométrie de la pièce fabriquée (notamment au niveau des aubes: calage, corde et épaisseur) par méthode de scanner 3D. Les résultats révèlent qu'il y a peu de différences en variant les paramètres de fabrication. Cepen- dant, à partir de l'analyse mécanique et physico-chimique du matériau de l'ensemble des échantillons, nous avons pu montrer que pour des températures du four ≥ 285°C et des temps de cuisson ≥ 15 min, le matériau se détériorait par phénomène d'oxy- dation. Qualitativement, le ventilateur jaunissait; quantitativement, la spectroscopie infrarouge révélait la présence manifeste de liaisons chimiques avec l'oxygène. En outre, les analyses mécaniques du matériau indiquent que l'effet du changement de température du procédé de fabrication induit également une modification de la ré- sistance du matériau via le module d'Young. La distribution de matière dans le moule joue également un rôle. Avec des masses plus faibles (de l'ordre de ∼ 300 g), le phé- nomène de balourd dynamique est moins notable. La puissance mécanique consommée est donc plus faible, impliquant un meilleur rendement. L'aspect visuel de distribution du polymère au sein de la roue, ainsi que les mesures à l'aide d'un accéléromètre ont permis de confirmer cette dispersion. A la lumière des résultats, cette thèse a permis de mieux comprendre le com- portement d'une turbomachine axiale selon ses paramètres de fabrication. Ce travail contribue également à ouvrir de nouvelles directions de recherche dans le domaine du rotomoulage, notamment appliqué aux ventilateurs de refroidissement automobile, qui présente aujourd'hui un grand intérêt.

  • Titre traduit

    Study of the influence of rotational molding process parameters on the aerodynamic operating characteristics of an axial fan.


  • Résumé

    Plastic rotational molding is a manufacturing process developed in the 50's. This approach possesses numerous advantages over others, such as processing, assembly, etc. One of the most noticeable benefits is the low cost of the subassembly manufacture. Noneover, it is commonly used today in various applied fields and still actively urges new research. This thesis focuses on turbomachinery, specifically cooling fans used in automobiles, an overheating industrial market. In the past, the preliminary versions of axial fans were designed and manufactured in the "Fluid Engineering and Energy Systems Laboratory" to meet this industrial needs. However, there has not been any practical research on the control and optimization of this manufacturing process. This thesis therefore fits naturally into a research dynamic making the link between the energy performance of the system and the manufacturing process. Resulting from the rotational molding process parameters, namely the mass of po- lymer powder, the temperature in the oven, and baking time, the general idea of the study lies in the interference of macroscopic scale with qualitative and quantitative analysis from the fan experiments. On one side, this would be geometry parameters, results of mechanical efficiency, etc. Besides, the output could act as the microscopic scale to identify the physical and chemical properties of the material. In other words, the thesis objective is to investigate the influence of the rotational molding process parameters in terms of the aerodynamic characteristics of axial fans. The experimental findings reveal significant differences in the aerodynamic efficiency of the fans. For instance, in a study in which 45 fans were tested, the energy efficiency difference is around 6%. Strikingly, these discripancies are strongly correlated with the mass of polymer powder used in manufacturing. In this study, we used polyethylene (PE). In order to clarify these differentiations, the first method was to ensure the quality control of the geometry of the manufactured part, especially at the level of the blades, like wedging, chord, and thickness, by 3D scanning methods. The results presented that there was little difference in varying the manufacturing parameters. However, thanks to the mechanical and physicochemical analysis of all the material samples, it was significant that for oven temperatures of 285°C and baking times for 15 minutes, the material degraded due to oxidation phenomena. Qualitatively, the fan was turning yellow; quantitatively, infrared spectroscopy revealed the apparent presence of chemical bonds with oxygen. In addition, the mechanical analyzes on the material indicated the effect of the variation in temperature, the resistance modification of the material, as well as the Young's modulus. The distribution of materials in the mold is of paramount impor- tance. With lower masses which is 300g, the dynamic unbalance phenomenon was less significant. As a consequence, the consumed mechanical power, therefore, went down, resulting in better efficiency. The visual appearance of the polymer distribution wi- thin the axial fan and the measurements utilizing an accelerometer made it possible to confirm this dispersion. In the light of the results, this thesis provides a better understanding of the be- havior of an axial turbomachine based on its manufacturing parameters. This work also contributes to opening up new research directions in the field of rotational mol- ding, in particular applied to automotive cooling fans, which is of great interest today.