المملكة المغربية جامعة الحسن الثاني عين الشق

المدرسة الوطنية العليا للكهرباء و الميكانيكRoyaume du Maroc

Université Hassan 2 Ain-chock

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ELECTRICITE ET DE

MECANIQUE

Département : Génie mécanique

Filière : Procédés industriels et Plasturgie

Conception et optimisation

du cycle d’injection d’un

carter

Encadré par :

Mr A.HADDOUT

Mme BENHADDOU

Réalisé par :

ERROUBI KANZA

ELFELLAH MAHMOUD

Rapport de projet de CAO

1

Sommaire

Introduction…………………………………………………………………………..2

Cahier de charges…………………………………………………………………..3

Conception de la pièce sur CATIA V5………………………………………5

Analyse de structure………………………………………………………………8

Réalisation du maillage………………………………………………….8

Résultats………………………………………………………………………..11

Choix des matériaux…………………………………………………….…………12

Caractéristiques matières …..……….………………………………..12

Etude comparative..….………………………………………….……….18

Conception de point d’alimentation………………………….……………19

Conception du circuit de refroidissement……….………………………21

Simulation sur Mold Flow………………..…………………………………….29

Détermination du point d’injection optimum………………...29

Optimisation du cycle d’injection.……………………………….….32

Conclusion………………………………………………………………..…………….33

Bibliothèque………………………………………………………………..………….34

2

Introduction

Les matières plastiques sont indispensables et indissociables de notre vie quotidienne. Dans les années

1950/1960, il est apparu que ces matières présentaient un nombre infini de possibilités et elles se sont

donc invitées dans notre vie quotidienne.

L’utilisation industrielle des matières plastiques n’a toutefois débuté qu’au début du XXe siècle. Depuis

lors, l’importance technologique et économique de ces matières n’a cessé de croître, essentiellement

pour deux raisons :

Les matières premières utilisées pour la fabrication des matières plastiques/synthé- tiques

peuvent être fabriquées à partir de pétrole et/ou de biomasse, produits peu onéreux et

disponibles partout dans le monde ;

La diversité colossale des matières plastiques offre un large spectre de propriétés et permet

d’élaborer des solutions sur mesure pour les différentes applications.

Les autres matériaux, comme l’acier, les métaux non-ferreux, le béton, le bois, le verre, la céramique,

etc., sont de plus en plus remplacés par les matières plastiques. La puissance et les performances des

produits disponibles sur le marché et qui nous accompagnent au quotidien augmentent sans cesse,

notamment dans les secteurs des transports, de la logistique, des loisirs et des sports, de la médecine

et de la santé, et de la communication. On trouve, ainsi dans le domaine automobile, plusieurs pièces

techniques à base de polymères. C’est dans ce cadre que s’inscrit notre projet : La conception et

simulation d’injection d’un carter.

Toutefois, La conception de pièces injectées est un métier qui consiste à adapter une pièce afin de

faciliter sa fabrication par injection plastique. Cela consiste à concevoir une pièce respectant toutes les

contraintes exigées par la technique d'injection, tout en respectant le cahier des charges.

3

Cahier de charges

Projet : Conception et optimisation d’injection d’un carter en composites thermoplastiques.

Travail demandé : Conception sur CATIA V5

Analyse de structure

Choix de matériau

Conception de point d’alimentation

Conception du circuit de refroidissement

Simulation d’injection sur Mold Flow

Optimisation du cycle d’injection

Analyse des paramètres et validation

4

Dessin de définition de la pièce :

5

Conception de la pièce sur CATIA V5

A l’aide du logiciel CATIA V5 on conçois notre pièce dans le module Part Design.

On commence par faire les esquisses des contours principaux :

6

On procède par la suite aux opérations requises pour donner une forme à notre pièce. Ces

opérations se résument dans l’arborescence ci-dessous :

7

Ainsi, on obtient notre pièce conçue sur le logiciel dont la vue en perspective est la suivante :

8

Analyse de structure

Réalisation du maillage :

D’abord, on commence par affecter un matériau à notre pièce, ici c’est le plastique.

Ensuite, on choisit la face fixe de la pièce qui est confondue avec la face du maintien en position de la

pièce. Et on affecte les charges que peut subir le carter au cours de son fonctionnement.

Finalement, on réalise le maillage sur le logiciel de conception et de calcul CATIA V5 avec une taille

des mailles de 5mm.

Les résultats du maillage se présentent comme suit :

9

10

11

Résultat :

Les résultats nous montrent que la pièce subit une contrainte principale de l’ordre de 9.53MPa et

une contrainte du Von-Mises de l’ordre de grandeur de 7MPa.

On constate à partir des résultats fournis par le logiciel que les contraintes maximales du carter sont

inférieures à la charge qu’il subit lors de son fonctionnement.

Ainsi notre pièce ne représente pas de problèmes au niveau de sa résistance aux charges appliquées

en fonctionnement.

12

Choix du matériau

Caractéristiques de quelques matières plastiques :

Le Polypropylène PP

13

14

L'acrylonitrile butadiène styrène ABS

15

Le Polyamide 6 PA6

Le Polyamide 66 PA66

16

Le Polycarbonate PC

17

Le Polystyrène PS

18

Etude comparative :

On compare les propriétés du polypropylène et du polystyrène.

Le tableau ci-dessus nous montre que le polypropylène est de caractéristiques meilleures sur tous les

plans surtout au niveau de la rigidité, la solidité et la résistance à la chaleur.

On précise aussi que le propylène permet des procédés de transformation tel le rivetage, coupage,

soudage, etc

Ainsi, on choisit comme matière première le Polypropylène, plus précisément Sabic PP575 comme

c’est celui disponible dans le laboratoire.

On présente ses propriétés selon la base de données fournie par le logiciel de simulation Mold Flow :

19

Conception de point d’alimentation

Seuil d’alimentation :

Le système d’alimentation est un «moyen nécessaire au procédé pour arriver au but»; il permet d’acheminer dans l’empreinte du moule, la matière en fusion préparée dans le cylindre d’injection. Les principaux critères pris en compte pour dimensionner une alimentation sont le poids de la pièce (volume), la longueur de l’alimentation et l’épaisseur de la pièce (parcours de coulée). Ceux-ci ont en effet une répercussion sur les exigences en pression, la contrainte thermique durant le remplissage et la sollicitation de cisaillement. Ils sont restreints par la fluidité limitée de la matière et la sensibilité des différents types de produit au cisaillement. En outre, le comportement au remplissage comme par exemple les variations subites d’épaisseur de paroi, le jet libre sont décisifs pour obtenir une bonne qualité de surface. Ainsi, on procède maintenant au dimensionnement des canaux d’alimentation.

On calcule le diamètre du seuil par la relation suivante :

Diamètre seuil d’injection = 2/3 épaisseur

D’après le dessin de définition de la pièce, l’épaisseur est de 5 mm.

Donc :

𝒅𝒔𝒆𝒖𝒊𝒍 = 𝟐

𝟑∗ 𝟓 =

𝟏𝟎

𝟑= 𝟑. 𝟑𝟑 𝒎𝒎

Canaux d’alimentation :

Le canal d’alimentation permet d’acheminer la matière plastique depuis la buse machine jusqu’à la

pièce à mouler.

Il est constitué de 2 parties principales :

- La ‟carotte” permet de traverser le bloc empreinte fixe jusqu’au plan de joint. Sa

conicité favorise le démoulage.

- Le canal secondaire permet d’acheminer la matière depuis la carotte au plan de joint jusqu’au seuil

d’injection. Son tracé doit faciliter l’écoulement et garantir une distribution homogène et suffisante.

Il doit être le plus court possible pour limiter les pertes de pression et de

température et de matière.

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On calcule le diamètre des canaux par la relation suivante :

𝒅𝒂 = 𝟏. 𝟓𝟑 ∗ 𝑺𝒎𝒂𝒙 ∗ √𝐥𝐧 (

𝟒𝝅

∗ 𝜽)

𝐥𝐧 (𝟏. 𝟓𝟗𝟗 ∗ 𝜽)

Avec :

𝑺𝒎𝒂𝒙 : La paroi de pièce la plus épaisse

𝒅𝒂 : Diamètre de l’alimentation

Et

𝜽 = 𝐓𝐌 – 𝐓𝐖

𝐓𝐄 – 𝐓𝐖

Tel que :

𝑻𝑴 : Température de la matière après remplissage

𝑻𝑬 : Température moyenne de démoulage

𝑻𝑾: Température moyenne de la paroi de l’empreinte

On a:

𝑻𝑴 = 𝟐𝟏𝟎°𝑪 𝑻𝑾 = 𝟒𝟓. 𝟏𝟓°𝑪

𝑻𝑬 = 𝑻𝒗𝒊𝒄𝒂𝒕 − 𝟏𝟎° = 𝟏𝟓𝟒 − 𝟏𝟎 = 𝟏𝟒𝟒°𝑪

Donc : 𝜽 = 𝟏. 𝟔𝟔𝟕

Ainsi 𝒅𝒂 = 𝟔. 𝟕𝟗 𝒎𝒎

Conclusion :

𝒅𝒂 = 𝟔. 𝟕𝟗 𝒎𝒎

𝒅𝒔𝒆𝒖𝒊𝒍 = 𝟑. 𝟑𝟑 𝒎𝒎

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Conception du circuit de refroidissement :

Les moules à injection soumis à des sollicitations fluctuantes et devant satisfaire des exigences de précision extrêmes font partie des équipements techniques utilisés les plus onéreux. La conception d’un moule à injection doit être mûrement réfléchie si l’on souhaite qu’il réponde aux exigences économiques requises. La rentabilité d’un moule à injection est essentiellement fonction de l’efficacité et de la vitesse de l’échange thermique qui se fait entre le moule et la matière qui y est injectée. La qualité de la pièce moulée dépend de manière déterminante d’une évolution de température locale constamment uniforme d’un cycle à l’autre. La rentabilité d’une production est déterminée de façon décisive par la faculté du moule à être un bon ou un mauvais échangeur thermique. En ce qui concerne la transformation, c’est une thermorégulation de moule optimisée qui sera le facteur essentiel de la réduction des coûts de pièces. L’économie réalisable par une meilleure thermorégulation du moule est d’environ 10 à 40%. Pour obtenir une qualité de pièce optimale et réduire la durée de la production, il est indispensable de connaître les lois qui régissent l’échange de chaleur dans le moule et de les exploiter de manière ciblée. En résumé, voici les principales valeurs caractéristiques qu’un concepteur devra calculer pour concevoir thermiquement un moule. – le temps de cycle et de refroidissement – les flux thermiques – le profil de températures dans la pièce moulée et dans le moule – la position et la dimension des canaux de thermorégulation – la température et le débit de l’agent de thermorégulation – l’homogénéité ou l’erreur de température sur la paroi de l’empreinte – la capacité de la pompe, de refroidissement et de chauffe de l’appareil de thermorégulation (pertes de pression dans les canaux de thermorégulation) – la simulation et la variation des paramètres (températures, matériaux, paramètres de mise en œuvre) Les étapes essentielles de conception selon la méthode spatiale d’équilibrage se basent essentiellement sur les conditions idéalisées sont entre autres: – des flux thermiques unidimensionnels – Négligence des processus de démarrage – valeurs moyennes sur un temps donné (état quasi stationnaire, ce qui signifie que les fluctuations de température ne sont pas prises en compte)

22

Ces étapes de résument dans le schéma suivant :

23

Calcul : Calcul du temps-de refroidissement :

On calcule le temps de refroidissement par la relation suivante :

𝑇𝑟𝑒𝑓 = 𝑒2

𝜋2∗𝑎 ln (

4

𝜋 𝜃)

Avec

θ = TM−TW

TE−TW Et 𝑇𝑊 =

𝑇𝑊𝑚𝑖𝑛+ 𝑇𝑊𝑚𝑎𝑥

2

Or 𝑇𝑊𝑚𝑎𝑥=

𝑏𝑊∗ 𝑇𝑊𝑚𝑖𝑛+ 𝑏𝑀∗ 𝑇𝑀

𝑏𝑊+ 𝑏𝑀

On a : 𝑇𝑊𝑚𝑖𝑛

= 45°𝐶 et 𝑇𝑀 = 210°𝐶

On calcule b par la relation ci-dessous : 𝑏 = √𝜌 ∗ λ ∗ c

Le moule est à base d’acier non allier donc la valeur de b est : 𝑏𝑊 = 13,8 . 103 𝑊. 𝑆1

2. 𝑚−2. 𝑑𝑒𝑔−1 Pour le polypropylène on a les caractéristiques suivantes :

𝜌 = 0.9

λ = 0.1 − 0.22 (à 13°C)( 𝑊. 𝑚−1. 𝐾−1) c = 1700 − 1900 (J. 𝐾−1. 𝐾𝑔−1)

Ainsi, 𝑏𝑀 = √0.9 ∗ 0.15 ∗ 1800 = 19,4 𝑊. 𝑆1

2. 𝑚−2. 𝑑𝑒𝑔−1

Donc 𝑇𝑊𝑚𝑎𝑥= 45.3°𝐶 et par suite 𝑇𝑊 = 45.15°𝐶

On en conclue que θ = 210−45.15

144−45.15= 1.667

Ainsi le temps de refroidissement est 𝑇𝑟𝑒𝑓 =15.88 s Tel que a = 0.12 mm²/s

24

Flux thermiques :

QF + QTM + QL + QK + QStr + QH = 0 QL + QK + QStr = QU (flux thermique vers le milieu ambiant)

On veut calculer le flux thermique introduit dans le moule par la matière chaude, pour ce faire on commence par

calculer le temps de cycle :

𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝑇𝑟𝑒𝑓 + 𝑇𝑟𝑒𝑚 + 𝑇𝑚𝑎𝑖𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛 + 𝑇𝑜𝑢𝑣𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒 + 𝑇𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑡𝑢𝑟𝑒

25

On obtient la valeur du temps de remplissage à partir de Mold Flow

𝑇𝑟𝑒𝑚 = 4.78 𝑠

𝑇𝑜𝑢𝑣𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒/𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑡𝑢𝑟𝑒 = 𝐶

𝑉=

2 ∗ 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑢𝑒𝑢𝑟 𝑚𝑎𝑥

𝑉=

2 ∗ 55

30

𝑇𝑜𝑢𝑣𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒/𝑓𝑒𝑟𝑚𝑒𝑡𝑢𝑟𝑒 = 3.67𝑠

𝑇𝑚𝑎𝑖𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛 = 𝑟2

5.78 ∗ 𝑎𝑒𝑓𝑓 ∗ ln (1.599 ∗ 𝑇𝑚 − 𝑇𝑠

𝑇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 − 𝑇𝑠)

𝑇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 170°𝐶

𝑇𝑠 = 45°𝐶 = 𝑡𝑒𝑚𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑑𝑢 𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙

𝑟 =𝑑𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙

2=

3.33

2= 1.665 𝑚𝑚

𝑇𝑚 = 210°𝐶

𝑎𝑒𝑓𝑓 = 0.12𝑚𝑚2𝑠−1

Donc 𝑇𝑚𝑎𝑖𝑛𝑡𝑖𝑒𝑛 = 5.4𝑠

Ainsi le temps de cycle est de 𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 4.78 + 3.67 + 5.4 + 15.88

Donc :

𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 29.73𝑠

26

Ainsi 𝑄𝐹 = 𝑚 ∆ℎ

𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒

Or ∆ℎ = ℎ2 − ℎ1 = 600 − 300 = 300 𝑘𝐽

𝐾𝑔

Et m = 147.633g (d’après Mold Flow)

Donc 𝑄𝐹 = 1.49 𝐾𝑊

As = 2(330 ∗ 200) + 2(330 ∗ 300) = 0.33m²

Q𝑘 = As ∗ α ∗ (TW − T𝑢)

T𝑢 = 24°𝐶 𝑒𝑡 T𝑊 = 45°𝐶

Donc Q𝑘 = 5.544𝑊

Q𝐿 = A𝐴 ∗ 𝛽 ∗ (𝑇𝑊 − T𝑢)

𝐴𝐴 = 2(330 ∗ 300) = 0.198 𝑚𝑚²

Donc Q𝐿 = 0.198 ∗ 98 ∗ (45 − 24) = 407.48 𝑊

On néglige Q𝐻 et Q𝑠𝑡𝑟 pour avoir enfin Q𝑇𝑀 = Q𝐹 − (Q𝐾 + Q𝐿)

AN : Q𝑇𝑀 = 1076.68 𝑊

210°C 140°C

h1=300

h2=600

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Débit du fluide de régulation :

On connaît la quantité de chaleur à éliminer ou à introduire par le fluide de régulation lorsque les flux thermiques ont été établis.

On veut maintenant calculer la valeur dem𝑇𝑀.

m𝑇𝑀 = Q𝑇𝑀

𝑐𝑇𝑀(𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒 − T𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒)= 2.06. 10−3 𝑚3𝑠−1𝐾𝑔−1

Diamètre des canaux de thermorégulation :

Condition: écoulement turbulent nombre de Reynolds bien supérieur à 2300

28

𝑅𝑒 = 4m𝑇𝑀

𝜋 ∗ 𝐷𝑘𝑘 ∗ 𝜌𝑇𝑀 ∗ 𝜇𝑇𝑀 > 2300

𝐷𝑘𝑘 <4𝑚𝑇𝑀

𝜋∗ 𝜗𝑇𝑀∗2300 𝐷𝑘𝑘 < 8.14 𝑚𝑚

Ainsi 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 8𝑚𝑚 Position des canaux de thermorégulation

< 10°C

𝛿 < 7.18 𝑐𝑚

𝐴𝐹 = 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑙′𝑒𝑚𝑝𝑟𝑒𝑖𝑛𝑡𝑒 = 0.077 𝑚²

λ𝑊 = 50.2W

mK Acier non oxydable

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Simulation sur Mold Flow Choix du point d’injection optimum : On effectue la simulation d’injection sur différents points d’injection. On obtient les résultats suivant : Point d’injection 1

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Point d’injection 2

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Point d’injection 3

On remarque que pour les deux premiers points d’injection les lignes de soudures et les bulles d’air affectent la face fonctionnelle de notre pièce, alors que pour le point d’injection numéro 3 les lignes de soudures ainsi que les bulles d’air sont moindres et ne se trouvent pas sur la face fonctionnelle. On conclue que le point d’injection optimum pour notre pièce est le troisième.

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Optimisation du cycle d’injection Optimiser le cycle d’injection consiste à diminuer le temps de cycle. Pour ce faire, on a recours à deux moyens :

Augmenter le diamètre du canal de refroidissement

On sait que 𝐷𝑘𝑘 =4𝑚𝑇𝑀

𝜋∗ 𝜗𝑇𝑀∗𝑅𝑒 ainsi si le diamètre augmente la valeur de 𝑚𝑇𝑀

augmente aussi.

Or m𝑇𝑀 = Q𝑇𝑀

𝑐𝑇𝑀(𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒− T𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒) où tous les paramètres sont constants sauf la valeur de Q𝑇𝑀

qui doit aussi augmenter.

On sait aussi que Q𝑇𝑀 = Q𝐹 − (Q𝐾 + Q𝐿) où seul la valeur de Q𝐹 varie--cette valeur doit

aussi augmenter—selon la relation suivante : 𝑄𝐹 = 𝑚 ∆ℎ

𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒

Ainsi on conclue que le temps de cycle va diminuer s on augmente le diamètre du canal.

Réduire la distance entre le canal du refroidissement et la paroi de l’empreinte On sait que

Donc si on réduit δ la quantité de chaleur Q𝐹 va augmenter--sachant que toutes les autres valeurs sont constantes—pour ne pas dépasser la marge de 10°c condition de l’équilibre thermique entre la paroi de l’empreinte et la paroi du canal de refroidissement.

33

Conclusion : Les moules d’injection qui sont bien conçus sur le plan thermique contribuent à réduire les coûts de production et à la rendre plus fiable. Le concepteur dispose aujourd’hui d’un grand nombre d’aides et de résultats d’études théoriques et pratiques qui peuvent être utilisés pour concevoir thermiquement un moule. Pour obtenir les objectifs cités de la conception thermique du moule, c’est-à-dire – maintien exact de la température de l’empreinte prévue – répartition homogène de la température de l’empreinte – réduction du cycle associée à une grande qualité, Le concepteur doit connaître les conditions thermiques qui prévalent dans le moule d’injection et être capable de les influencer comme il le souhaite en modifiant la position des canaux de thermorégulation. Outre la position correcte des canaux de thermorégulation, il est alors également essentiel de déterminer les pertes de pression dans les canaux de thermorégulation et de choisir une unité de thermorégulation correspondante de capacité suffisante. En effet, ce n’est qu’avec un écoulement du fluide de thermorégulation suffisant que la chaleur se dissipera dans le moule (ou sera introduite dans le moule en cas de chauffage).

34

Bibliothèque : http://sip2.ac-mayotte.fr/IMG/pdf/Les_Matieres_plastiques-2.pdf

Conception d’alimentation pour obtention de surfaces de grande qualité E. Erlenkämper

Thermorégulation optimisée du moule

Olaf Zöllner

http://christophe.boutry.pagesperso-orange.fr/Site/33D2582B-0286-48D9-A931-920352FD5557_files/caract-

eau.pdf

http://www.goodfellow.com/F/Polypropylene.html