SYS849-12 -Mise en Forme Par Moulage-cas Des Plastiques

Techniques avancées de mise en forme SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Cours 12: Mise en forme des polymères Professeur: Victor Songmene: 8869

SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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MOULAGE PAR INJECTION ’injection molding’ SYS-849

• Introduction • Procédés de mise en forme des plastiques • Système de moulage par injection – – – – – –

Procédé Matériaux Cycle de moulage Estimation du temps de cycle Estimation du nombre optimal de cavités Guide de conception

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Structure et propriétés des polymères SYS-849

Analogie

Polymère = longue chaine de plusieurs millers de molécules

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

---- C

H

H

H

H

H

H

H

Glace

T

Liquide T

Verser dans une cavité

Plastiques thermodurcissables: deviennent permanament durs lorsque chaufés et réfroidis et ne ramolissent plus, même si réchauffés encore

Thermoplastiques: très répandus et peu coûteux: Chauffés, les

thermoplastiques deviennent mous jusqu’à la liquéfaction Refroidis: ils deviennent durs Chauffés etavancées refroidis,deilsmise passent de mous à dur et vis-versa de façon répétée. SYS-849: Techniques en forme

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Propriétés des thermoplastiques SYS-849

• Polymères et thermoplastiques sont capables de: – Se ramolir suite à une élévation de temperature – Durcir suite à un abaissement de temperature, même en cycles répétés parce que les longues chaines des molécules restent des emtités séparées.

• Propriétés – – – –

Résistance au choc élevée; Résistance à la corrosion élévée; Facilité de mise en forme; Propriétés mécaniques basses comparées aux métaux mais ils peuvent être renforcés par des fibres (jusqu’à 1/3 du volume du matériau) • Amélioration de la résistance et de la rigidité; • Réduction de la résiatance au choc; • Réduction de la vie des moules suite à un acroissement de l’abrasiveté.

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Procédés usuels de mise en forme des plastiques

• Extrusion • Moulage par injection à réaction chimique (Reaction injection molding-RIM) • Production des films et des feuilles en plastiques • Compression et transfer molding • Moulage – souflage ou blow molding • Moulage par injection

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Extrusion SYS-849 Très utilisé pour les themoplastiques et élastomères pour la fabrication des : • Tubes • Pipes • Pièces structurales • Fenêtres • Portes • Feuilles et films • Filaments continus • Isolants électriques pour cables et fils

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Principe d’extrusion des plastiques SYS-849

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Extrusion des feuilles et des films SYS-849

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Combinaison de l’extrusion et du souflage SYS-849 Application: Production de film tubulaire

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Production des fibres et des filaments de polymères

SYS-849 Applications: - Textiles - Renforts de platiques (composites)

Fibres - Synthétiques (75% du marché): Polyesters; nylons, acrylics - Naturels (25%): Coton, laine

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Défauts en extrusion SYS-849 Fracture du médium liquide ou solidification vant remplissage complet

peau pointue et bambou

Cause possible de Fracture : Changement de section très brusque dans le moule Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Revêtement de ploymères SYS-849 Application des couches de polymères sur un substract: Fils, cables, films et objects à 3 dimensions (contour coating) Épaisseurs des revêtements: 0.01 – 0.05mm (0.0005-0.002 pouces) Matériaux: polyethylène, polypropylène, et parfois PVC, Nylon et polyesters

Contrôle de la quantité de polymer appliqué

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Reaction injection molding (RIM) Matériaux: ThemoPlastiques SYS-849 Applications: pièces automobiles larges comme les anti-chocs

RIM: Mélange et injection de 2 liquides réactives (A et B) qui se solidifient par réaction chimique Avantages: Tonnage faible; temps de cycle 2 min; faible utilisation d’énergie; faible coût d’équipement; Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012 SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Compression Molding SYS-849

Plastiques thermoducissables Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Moulage par compression: procédé ancien mais très utilisé pur la mise en forme des plastiques thermoducissables Avantages: moules simples; peu de pertes; Inconvenients: Long temps de cycle et faible productivité % moulage par injection Applications: Pneux et des composites à matrix de polymères SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Transfert Molding SYS-849 Matériaux: Plastiques Thermoducissables et élastomères Transfert par matrice Production de rebuts (cull et sprue) Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012 Transfert par l’outil (plunger)

Injection

Transfert

Compression

Complexité des détails sur les pièces

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Extrusion Blow molding SYS-849 Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Blow molding: Une pression d’air est utilisée pour gonfler du plastique mou dans la cavité d’un moule.Le plastique est pincé à une extremité et glonfer de l’autre

Applications: bouteilles et containeurs SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Injection Blow molding SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Avantages comparé à extrusion blow-moulding: - Taux de production élévé; combinaison des opérations (injection et souflage) - Meilleur précision sur les dimensions finales - Faible taux de rejet - Faible rebuts SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Moulage-souflage ou étirage Stretch Blow molding

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Procédé souvent automatisé et intégré avec d’autres opérations: remplissage, étiquetage, etc…

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Thermoformage sous vide SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Thermoformage à pression SYS-849 Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Trou de faible dimension : 0.8 mm pour limiter l’effet sur le plastique

Pressions de travail: 3-4 atm SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Thermoformage tendance SYS-849 Moule mâle ou moule positif : Mieux contrôler la qualité des pièces, surtout l’amincissement; En effet la surface du plastique en contact avec le moule solidifie plus vite, limitant ainsi l’étirement et donc l’amincissement.

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Rotational molding SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Matériaux des pièces SYS-849

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Moulage par injection- Injection molding SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

Matériaux usuels : thermoplastiques Procédé très rapide: temps de cycle 10 à 30 sec; 1 min pour de larges pièces SYS-849: Techniques avancées de mise en forme

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Cycles de moulage par injection SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

La qualité de la pièce dépend de: Températures (injection. Moules, buse d’injection); Vitesse d’injection; Pression d’injection

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Cycles de moulage Ajutement du moule pour la prochaine piece

SYS-849 Solidification sous pression

Pour éviter le retour: reverse flow

Ouverture du moule Retrait de la pièce

Dès que la cavité est remplie Appliquer la pression et le compactage a lieu

Fusion du polymère; Remplissage des cavités

Le refroidissement est la plus gande composante du temps de cycle Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Coût du moule SYS-849

Ac: surface de la base du moule (cm2) hp: somme des profondeurs de la cavité et du noyau (cm)

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Matériaux usuels des moules SYS-849

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Moule à 2 plaques SYS-849

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Moule à 3 plaques SYS-849

Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Retraicissement ou shrinkage SYS-849 • Les polymères ont un coefficient d’expansion thermique élévé: • Lors du refroidissement, le rétraicissement intervient; Pour compenser les dimensions du moule doivent être plus grandes que celles de la pièce désirée.

(Rudin, 1973)

Dc: dimension de la cavité Dp: Dimension de la pièce S: Retraicissement

Valeurs de retraicissement: S (mm/mm) ou (in/in) (Rudin, 1973) ABS: 0.006; Polyethylène: 0.025 Nylon-6,6: 0.020 Polystyrène: 0.004 Polycarbonate: 0.007 PVC: 0.005 Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012

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Volume d’injection vs vol. pièce SYS-849

Runner : (Shot size - Part volume) / part volume

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Tonnage des machines et coût d’opération

Cr

Cr = ki + mi F

ki = 22 $/h mi = 0.0091 $/h/kN X 106N F:

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps de cycle SYS-849

• Temps d’injection • Temps de refroidissement • Temps d’ajustement du moule Temps de moulage = temps d’injection + temps refroidissement + temps d’ajustement des moules

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps d’injection

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• Si au début du remplissage, on utilise la puissance max de la machine (Pw) et que la pression au nez du système d’injection est celle recommandée par le fabricant du polymer (pi), le taux d’écoulement peut être exprimé par: Q

Pw pi

(m3 / s )

Pw: puissance d’injection (W) pi: pression d ’injection recommandée (N/m2)

• En pratique, le taux d’écoulement décroît au fur et à mesure que le moule se rempli due à : – Résistance des canaux du moule à l ’écoulement – constriction des canaux lorsque le polymer se solidifie contre la parois. Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps d’injection (2) SYS-849 • Si l ’on assume que le taux d ’écoulement décroît avec un décélération constante jusqu ’à un point où le moule est remplit, le taux d ’écoulement moyen est: Qmoyen  0.5

Pw pi

P : puissance d’injection (W)

(m3 / s) pi:w pression d ’injection recommandée (N/m ) 2

• Le temps d’injection ou de remplissage est alors :

t

f



Vs p  2 Vs i Qmoyen Pw

( s)

Vs: volume de la coulée `(shot size) en cm3 Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps de refroidissement SYS-849 • Assumer que le refroidissement des moules se fait par conduction thermique. Radiation et convection négligeables: La variation de température à travers la moitié de l’épaisseur du polymer et le temps est donnée par:

h

x

T  2T α 2 t x

Le temps de refroidissement (tc) peut être calculé par:

tc  Plaques en métal

Polymer

a: coeff. Diffusivité thermique (mm2/s)

h 2 max 4(Ti  Tm) ln π 2 α π(Tx  Tm)

hmax: Épaisseur maximale (mm) Tx: temperature de la pièce à la sortie du moule (°C) Tm: Temperature du moule (°C) Ti: temperature d ’injection du polymer fondu (°C) a: coeff. diffusivité thermique (mm2/s)

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps de refroidissement (suite) SYS-849

– Pour un polymer donné, le temps de refroidissement croît avec le carré de l’épaisseur de la pièce. – Le moulage par injection est donc inapproprié de point de vue coût pour des pièces trop épaisses. – Pour des pièces à section cylindrique, un facteur de correction de 2/3 doit être appliqué au diamètre pour calculer l’épaisseur maximale. Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Temps d’ajustement des moules SYS-849 Temps d ’opération typique des machines d’injection (s) Géométrie de la pièce

Plate

Cube

Cylindrique

Ouverture moule

2

2.5

3

Retrait pièce

0

1.5

3

Fermeture moule

1

1

1

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

Voir aussi Table 8.4

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Nombre optimal de cavités

• L’un des avantages du moulage par injection est que plusieurs pièces similaires ou non peuvent être produites à la fois sur la même machine en utilisant des moules dotés de plusieurs cavités. – Nécessité d’une plus large machine (taux d ’opération élevé) % au cas d’un moule à simple cavité. – Coût des moules plus élevé % moule simple cavité – Le temps de cycle /pièce décroît inversement au nombre de pièces

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Nombre optimal de cavités SYS-849 • Coûts d ’usinage des moules à plusieurs cavités identiques: C1 : Coût d’un moule à 1 cavité Cn = C1.nm ; n : nombre de cavité m = 0.7: multicavity mold index

• Coûts de production de N pièces : C= coût d’opération +coût moule+ coût polymère C= (N/n) (k1 +aF)t+C1nm+NCm Avec:

n: nombre de cavités k1+aF: taux horaire sur la machine t: temps d ’utilisation de la machine m= 0.7 Cm: prix de polymère par pièce

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Nombre optimal de cavités (2)

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• Si plusieurs machines sont disponibles, on peut utiliser celle qui donne exactement la force de serrage nécessaire:

F = nf

f étant la force de séparation pour 1 cavité et n le nombre de cavités

• Les coûts de production de N pièces : C= (Nf/F) (k1 +aF)t+C1((F/f)m+NCm C= (Nfk1/F+aNf)t+C1(F/f)m+NCm

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Nombre optimal de cavités (3)

SYS-849 • Pour une pièce donnée, la seule variable dans C est la force F. Le coût est minimal lorsque dC/dF = 0 • dC/dF =-Nfk1/F2+mC1/f)m*F m-1 = 0 F Nk1t  mC1    f 

( m 1)

Or F = nf; donc le nombre optimal de cavités est: 1

 Nk t  m1  Nk1t   n   1     mC1   0.7C1 

0.588

N: Volume de production t: temps d’utilisation de la machine C1: coût d’un moule à 1 cavité k1 + aF : Taux horaire d’utilisation de la presse F: force de serrage

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Exemple d’amelioration de design

Le temps de refroidissement (tc) :

tc 

h 2 max 4(Ti  Tm) ln π 2 α π(Tx  Tm)

Uniformiser les épaisseurs

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Assemblage par soudure

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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Assemblage par clippage

Assemblage- press-fit et chippage

Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994

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