LE MOLDFLOW

Objectif   : Dans ce TP nous allons utiliser la simulation des écoulements rhéologiques de deux matières plastiques : l’ABS et le PP. Nous allons comparer ces deux matériaux, en étudiant la qualité des pièces ( éprouvettes de traction) en fonction des points d’injection. On déterminera ainsi lequel des deux matériaux est le plus propice à répondre au cahier des charges. Nous saurons également quel emplacement du ou des points d’injection choisir pour une injection optimale.

PLAN   :

I) Présentation du moyen de mise en œuvre pour le TP II) Présentation des objets fabriqués et des matières utilisées pour le process ainsi que des conditions de mise en œuvre du TP ( machine, matériels, matériaux, températures) III) Présentation des essais et des expérimentations réalisés IV) Commentaires et justification des résultats et observations faites

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I) Présentation du moyen de mise en œuvre pour le TP

Ce TP a pour but de comprendre et d’utiliser la simulation des écoulements rhéologiques de la matière plastique ( ABS + PP) afin d’étudier toutes les étapes de fabrication d’une pièce injectée.

Tout d’abord, il convient d’expliquer ce qu’est un écoulement rhéologique :

La rhéologie est la science qui étudie l’écoulement ou la déformation des corps sous l’effet des contraintes qui leur sont appliquées, compte tenu de la vitesse d’application de ces contraintes ou plus généralement de leur variation au cours du temps .

Afin d’étudier ces écoulements, nous utilisons un logiciel : Moldflow.

Ce logiciel est la propriété d’Autodesk,  une entreprise de logiciels de design et de contenu numérique, qui permet la simulation des écoulements des matières plastiques. Il permet aux concepteurs de déterminer la qualité et la moulabilité des pièces aux cours des phases de conception et ainsi d’éviter des problèmes en production, occasionnant perte de temps et d’argent. Il est également utilisé pour des fonctions telles que l’analyse du système d’alimentation, des retassures, de la qualité du refroidissement de la pièce…

Nous allons utiliser ce logiciel dans le but de modéliser la fabrication de ces éprouvettes en étudiant différents paramètres. Ainsi le logiciel nous donnera :

- Le temps d’injection- La température du front d’écoulement maximale et minimale- La vitesse de cisaillement maximale- Le temps de refroidissement- L’emplacement des bulles d’air- La pression de la cavité résiduelle- La contrainte de cisaillement aux bords- L’emplacement des lignes de soudure- Le retrait total sur côte de 150 mm- Le cintrage

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Nous allons expliciter quelques uns de ces termes techniques :

- Temps d’injection : temps nécessaire à l’injection de la pièce finale. - Vitesse de cisaillement : mesure le cisaillement ( déformation tangentielle à la surface), elle dépend de la contrainte de cisaillement et de la nature du matériau.

- Bulles d’air : défaut lié à un mauvais remplissage de la pièce à cause d’une vitesse d’injection trop faible.

- Contrainte de cisaillement : c’est une contrainte appliquée de manière parallèle ou tangentielle à une face d'un matériel, par opposition aux contraintes normales qui sont appliquées de manière perpendiculaire.

- Lignes de soudure : ligne déterminée par la liaison des deux fronts d’écoulement. Une ligne de soudure marquée est le signe d’un dépassement de la pression de maintien.

- Retrait total : rétrécissement de la matière dû au refroidissement de la pièce.

- Cintrage : opération de déformation ayant lieu à la sortie de la machine à injection.

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II) Présentation des objets fabriqués et des matières utilisées pour le process et présentation des conditions de mise en œuvre du TP ( machine, matériels, matériaux, températures)

Le TP nous permet d’étudier la réalisation d’un moule pour des éprouvettes de traction en ABS d’une part et en PP dans un second temps. Que sont ces deux matériaux ?

ABS : L’acrylonitrile butadiène styrène est un polymère thermoplastique employé par l’industrie pour des produits présentant une bonne tenue aux chocs, relativement rigides, légers et moulés.

PP : Le polypropylène (ou polypropène) est un thermoplastique semi-cristallin. Le polypropylène est translucide à opaque, hydrophobe, dur, semi-rigide et très résistant à l’abrasion.

On demande à ce que les éprouvettes se trouvent dans les tolérances suivantes :

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L’éprouvette à réaliser doit répondre à un cahier des charge précis, les consignes sont les suivantes :

- L’éprouvette ne doit pas présenter de défauts pouvant entraîner une amorce de rupture dans la zone A

- La pièce ne doit pas être cintrée de plus de 0.5mm- Le retrait suivant la côte F doit être inférieure à 2mm- Aucun défauts d’aspect de surface n’est toléré dans la zone A

Il nous est demandé de faire une étude comparative des deux matériaux avec des points d’injection différents, quatre cas sont demandés :

1er cas : Un point d’injection central. 2ème cas : Un point d’injection latéral. 3ème cas : Deux points d’injection latéraux. 4ème cas : Un point d’injection dans l’axe de la plus grande longueur de la pièce.

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III) Présentation des essais et des expérimentations réalisés

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Essai réalisé avec le PP

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Essai réalisé avec l’ABS  

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IV) Commentaires et justification des résultats et observations faites

1 ) Le cas du PP   : On constate avec ces essais réalisés avec du PP, que quelque soit l’emplacement des points d’injection, les temps d’injection sont sensiblement les mêmes : entre le plus rapide et le plus lent, il y a juste une différence de moins de 0.3s. Egalement pour les températures de front d’écoulement qui varient très peu pour ne pas dire pas du tout.

En revanche, pour les vitesses de cisaillement, celles-ci varient fortement puisqu’on passe de 155 s-1 pour le point d’injection central jusqu’à 260,9 s-1 pour les points d’injection latéraux. On aura donc une meilleure injection pour le point d’injection central.

Les temps de refroidissement sont très similaires ( autour de 30,5s).

L’emplacement des bulles d’air varient très nettement selon les points d’injection : -Point d’injection central : les bulles d’air se forment aux quatre coins de la pièce. -Point d’injection latéral : les bulles se situent dans les coins opposés à l’endroit du point d’injection. -Points d’injection latéraux : bulle d’air située au centre de la pièce. -Point d’injection dans l’axe médian : bulles d’air situées aux coins opposés.

Le but étant d’éviter la formation de bulles d’air au centre de la pièce, les points d’injection latéraux sont donc à bannir.

Les pressions dans les cavités résiduelles ne changeant pas beaucoup en fonction des points d’injection, ce ne sera pas un critère déterminant pour le choix de la mise en œuvre.

Le sens de l’injection se fait de manière logique, à savoir du point d’injection vers les parties les plus éloignées.

Les contraintes de cisaillement varient entre 0.0621 MPa et 0.131 MPa. Même si la différence peut paraître faible on privilégiera la contrainte la plus faible, donc celle du point d’injection central .

Pour les lignes de soudure, on constate l’absence de celles-ci pour le point d’injection latéral et le point situé dans l’axe.En revanche celle-ci est présente pour le point d’injection central, au centre et de forme longitudinale. Egalement présence d’une ligne de soudure pour les points d’injection latéraux mais cette fois de forme transversale. Même si l’absence de ligne de soudure est préférable, celle-ci ne posera pas de problème si elle se situe dans un endroit non sollicité mécaniquement pour les contraintes résiduelles et de cisaillement. L’aspect esthétique peut aussi avoir son rôle à jouer.

Le retrait total variant de 0.1mm au maximum, on en prendra pas compte dans le choix du point d’injection.

Le cintrage aura également peu d' importance.

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2) Le cas de l’ABS   : Pour l’ABS, les temps d’injection varient entre 2.57s et 3.14s. Sur un faible laps de temps, la différence est négligeable, mais à plus grande échelle la productivité est meilleure pour un plus faible temps.

Les températures de front d’écoulement sont exactement les mêmes.

On constate de fortes différences de valeurs pour les vitesses de cisaillement avec 133.9 s-1 pour le point d’injection central et jusqu’à 358.1s-1 pour le point latéral.Cette dernière valeur étant beaucoup trop élevée, on élimine d’office l’injection avec un point latéral. Les temps de refroidissement sont aussi les mêmes avec une valeur moyenne de 38.4s.

Les bulles d’air ont le même emplacement que pour le cas de l’injection au PP.

Les pressions dans les cavités résiduelles, varient d’environ 1 MPa entre les différents points d’injection, que ce soit la pression maximale et minimale. On privilégiera cependant la plus faible différence entre ces deux pressions qui est pour le cas des points d’injection latéraux : Pression max : 34.97MPa Pression min : 25.86 MPa

Pas de différence également pour les sens d’écoulement qui ne varient pas avec la matière utilisée.

La contrainte de cisaillement la plus faible est également pour le point d’injection central avec une valeur de 0.25 MPa.

Les lignes de soudure ne varient également pas avec la matière, donc les mêmes qu’avec le PP.

Le retrait total le plus faible est trouvé pour le point d’injection latéral, mais celui-ci ayant été éliminé à cause de sa forte vitesse de cisaillement, c’est l’injection avec le point dans l’axe le plus faible avec 1.33mm.

Les valeurs de cintrage varient très peu (de 0.006mm pour les deux valeurs extrêmes ), on négligera leur impact.

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Questions   :

1) Est il souhaitable de prévoir d’emblée plusieurs points d’injection sur une pièce plastique ?

R : Non il n’est pas nécessaire de prévoir plusieurs points d’injection car avec la rencontre des deux fronts, on aura la présence d’une bulle d’air au centre ( points d’injection latéraux) et d’une ligne de soudure.

2) Quelle est la meilleure solution pour injecter l’éprouvette ?

R : Au vu de l’ensemble des résultats, la solution du point d’injection central est la meilleure :

- Faible contrainte de cisaillement.- Faible contrainte résiduelle.- Faible vitesse de cisaillement.

La solution des deux points latéraux aurait pu être envisageable, mais au vu du cahier des charges pour l’absence de défaut dans la zone A, on ne peut l’appliquer étant donné qu’on a une ligne de soudure transversale.

3) Dans quels cas sera-t-il indispensable de placer plusieurs points d’injection ?

R : La présence de plusieurs points d’injection sera nécessaire pour l’injection de grosses pièces et de pièces complexes. Sinon, on aurait un temps d’injection et de maintient plus longs, donc perte de temps non négligeable pour la productivité.Aussi, utiliser un seul point d’injection pour une pièce massive, ne permettrait pas que la pression s’exerce sur toute la pièce.

4) Quelles sont les 3 précautions à prendre pour qu’une ligne de soudure ne pose pas de problème particulier ?

R : - La ligne de soudure ne doit pas se situer à un endroit où la pièce va être sollicitée- Elle doit être au minimum visible ( esthétique)- Peu ou absences de contraintes de cisaillement et résiduelles car elles vont

naturellement vers la ligne de soudure ( endroit sensible car fragile)

5) Que faire si la simulation fait apparaître un cintrage anormal sur une pièce injectée ?

R : Rappelons que le cintrage a lieu à la sortie de l’injecteuse, deux solutions possibles :

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- Chauffer la partie du moule où le refroidissement est le plus rapide- A la sortie du moule, déposer l’éprouvette sur une plaque métallique de la même

forme, ainsi on aura l’apparition d’une contrainte.

Conclusion   : Ainsi ce TP nous a permis de découvrir un logiciel professionnel utilisé dans les entreprises qui conçoivent des produits de matières plastique. A travers l’exercice de découvrir desquels de l’ABS ou du PP et quels points d’injection choisir pour la fabrication d’une éprouvette de traction répondant à un cahier des charges stricte, on a découvert l’utilité et le maniement de Moldflow. On en a appris aussi davantage sur les propriétés des deux matières plastiques utilisées, notamment avec l’étude des pressions et des contraintes propres à chaque matériaux.

FIN

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