Les paramètres de l'injection plastique :

Pertes de charges


La pression matière dans l’empreinte est toujours inférieure à celle en bout de vis. Cette diminution de pression est due aux « pertes de charges ».

Les causes de celui-ci peuvent être diverses :
- La viscosité de la matière,
- La longueur de l'écoulement de la matière (canaux et carotte),
- La section des canaux,
- L’épaisseur de la pièce,
- Les changements de direction de la matière,
- La température du moule,

Ces pertes de charges seront déterminées :

- soit expérimentalement à l’aide d’une presse à injecter à fermeture hydraulique.
En effet, connaissant la force de fermeture minimale nécessaire pour retenir la matière dans le moule et la surface projetée de la pièce, nous aurons accès à la pression moyenne de la matière dans le moule :  % Pertes de charges = (P vis –Pmoy) / Pvis

-soit par simulation à l'aide de différents logiciels spécifiques.

Pression bout de vis et vérin d’injection

Le vérin d'injection permet d'exercer la pression hydraulique P1 sur la surface du vérin S1.

La vis permet d'exercer la pression P2 sur la matière.


Détermination de Q (rapport entre la pression en bout de vis et la pression hydraulique)

1. Calcul de la surface S1 du vérin d’injection

Diamètre du vérin = 120 mm Soit : S1 = 113.1 cm²


2. Calcul de la surface S2 de la vis

Diamètre de la vis = 40 mm Soit : S2 = 12.6 cm²



3. calcul de Q (rapport entre pression entre la pression en bout de vis et la pression hydraulique) :

Supposons que règne dans notre vérin d’injection une pression de 8 Mpa ou 80 bars (pression lue au manomètre de la presse). Cette pression va s’exercer sur la surface S1 du vérin d'injection et donc créer une force F1 sur celle-ci.


or : F1 = P  S1 Soit : F1 = 80  113.1 F1 = 9048 daN


Mais cette force F1 va elle-même s’exercer sur la surface S2 de la vis et engendrer une pression P2.


donc : P2 = F1 / S2 Soit : P2 = 9048 / 12.6 P2 = 71.8 Mpa ou 718 bars

Conclusions :

 Nous venons de calculer la pression réelle appliquée sur la matière par la vis lors de l’injection. Cette pression 9 fois supérieure à la pression d’huile dans le vérin d’injection). Pour connaître cette pression, il n’est toutefois pas nécessaire de faire à chaque fois ce type de calculs. Tous les constructeurs de presses à injecter donnent des graphes permettant de lire directement la pression sur la matière en fonction du diamètre de la vis et de la pression dans le vérin d’injection (pression lue au manomètre) pour une presse donnée. On les trouve généralement sur le bloc d’injection / plastification et ils se présentent sous la forme suivante :


De plus à partir de la pression moyenne de la matière dans le moule (obtenue grâce à la pression en bout de vis et pertes de charges) et la surface projetée de la pièce, il est possible d’en déduire la force de fermeture minimale nécessaire :


Ff = Pm  Sp

Avec :

Ff : force de fermeture en N

Pm : pression moyenne de la matière dans le moule en Pa

Sp : surface frontale ou projetée de la pièce en m2

Coefficient de rétraction volumique K et course de dosage


Le coefficient K correspond au rapport entre le volume à froid et le volume à chaud du matériau. Il est également le rapport entre les masses volumiques, puisque la masse est constante à n’importe quelle température :


Mais il est difficile d’avoir accès à une masse volumique autre que celle à température ambiante. Il faut donc déterminer K expérimentalement, en considérant les volumes à chaud et à froid d’une certaine masse de matière.


Le volume à froid d’une quantité de matière sera obtenu par sa masse et masse volumique à température ambiante.


Le volume à chaud d’une quantité de matière sera obtenu par la longueur de la course de dosage utilisée et la section de la vis.


Valeurs approchées de K : 0.90 pour un amorphe - 0.80 pour un SC



Dans les calculs de pré réglage de la presse à injecter, il est possible d’estimer la course de dosage (course de déplacement de la vis lors de la plastification). Il suffit de déterminer le volume de matière à doser à la température de mise en œuvre.


En considérant les caractéristiques de la presse (diamètre de vis) on détermine la course de dosage Cd :


Cd = m / ( K.Svis.ρ )



m : masse de la moulée

K : coefficient de rétraction

Svis : section de la vis

ρ : masse volumique du matériau à 20°C

La commutation



La commutation marque le passage de la phase dynamique (remplissage de l’empreinte) à la phase statique de maintien en pression (quasi statique).

La phase dynamique gère l'avance de la vis (débit d'injection au travers des vitesses réglées).la phase de maintien en pression gère une pression hydraulique dans le vérin d'injection pendant un temps donné.

LES DIFFERENTS MODE DE COMMUTATION

Il existe plusieurs modes de commutation :

• Par la course : ce mode est facilement mis en œuvre ; une consigne de position vis définit la fin de la phase dynamique

• Par la pression : une consigne de pression hydraulique définit la commutation

• Par la pression dans le moule : mode rare car assez coûteux ; présence d'un capteur de pression dans l'outillage et utilisation d'un système d'acquisition de données.

• Par le temps: la commutation s’effectue lorsqu'un temps de remplissage est atteint. Ce mode est surtout utilisé en complément et en surveillance des autres modes de commutation.


Lors de l'utilisation de moules multi-empreintes, il est recommandé de commuter par pression, afin de protéger l'outillage.


le choix du mode de commutation peut être définit par une étude de la répétabilité du procédé. Il est possible de mesurer la masse des moulées lors du fonctionnement en cycle de la presse, ce qui nous donne une représentation de la stabilité du procédé.

Le maintien



Cette phase est également appelée phase quasi statique.

Le rôle de la phase de maintien est de compenser le retrait volumique de la matière dans l’outillage par un maintien sous pression du polymère encore liquide (transfert de matière plastique durant cette phase). Ce maintien est réalisé jusqu’au gel des seuils (moment où la matière fige et donc plus de transmission de matière et de pression).

DETERMINATION DU TEMPS DE MAINTIEN

Pour déterminer le temps de maintien, nous avons principalement 2 possibilités :
• La méthode mathématique
• La méthode expérimentale. (courbe d'évolution de la masse)



On définit une pression égale à 50% de la pression de commutation et on augmente le temps de maintien jusqu’à la stabilisation de la masse des pièces. Ce temps correspond au temps de gel des seuils.
Il est important lors de cet essai de diminuer le temps de refroidissement en parallèle avec l’augmentation du temps de maintien afin de garder un temps de cycle constant pour éviter toute modification de l’équilibre thermique du moule.

DETERMINATION DE LA PRESSION DE MAINTIEN

La pression de maintien est déterminée de manière à minimiser les défauts sur la pièce et notamment les retassures. Cette pression minimale garantira aussi la répétabilité des masses.

Phase de refroidissement (sans pression)


On parle de refroidissement sans pression par opposition au refroidissement qui intervient après la commutation pendant le maintien sous pression. Le temps de refroidissement à régler sans pression sera le complément du refroidissement sous pression (maintien) et l’ensemble constituera le temps de refroidissement global.


Temps de refroidissement global = temps de refroidissement sans pression + temps de maintien



Cette phase de refroidissement à pour but d’assurer le refroidissement de ou des pièces jusqu’à ce que la solidification de celle-ci soit suffisante afin de permettre un démoulage correct et sans déformation.


Le temps de refroidissement a une influence directe sur le temps de cycle, il ne faut donc pas l’augmenter excessivement. Il devra tout de même être suffisamment long pour assurer le démoulage sans déformation.

Ce temps agit également sur le retrait de la matière et sur les efforts de démoulage.

Retrait



La matière plastique, lors du refroidissement est soumise à un effort de contraction. Ce phénomène est nommé retrait volumique du matériau.

Ce retrait peut être déterminé par mesure d’une côte de la pièce après refroidissement de celle-ci. Auparavant une mesure de la côte empreinte correspondante est nécessaire.
Le retrait sera déterminé par la relation :

Retrait % = [(côte empreinte – côte pièce) / côte empreinte] x 100


Ce retrait est fonction de la structure du polymère (amorphe ou semi cristalline) et de la vitesse d’échange thermique avec le moule.


Il est possible de déterminer le retrait longtemps après la fabrication de la pièce, on parle alors de post retrait ou retrait libre. Ce phénomène de post retrait est dû à la réorganisation macromoléculaire intervenant à long terme : exemple de la cristallisation du PE durant le stockage, induisant un post retrait.

Tableau de données générales des principales matières plastiques :


Matière °C Matière °C Moule °C Figeage °C Démoulage Densité Pression empreinte (bars)
ABS 240 60 140 75 1.05 400
PA6 240 60 190 100 1.13 300
PA66 280 80 220 120 1.14 300
PBT 260 80 200 100 1.29 400
PC 280 60 200 90 1.34 400
PEBD 230 25 120 70 0.93 300
PEHD 250 50 120 80 0.95 300
PMMA 240 80 130 90 1.18 400
POM 205 90 165 120 1.42 400/500
PPO 285 80 200 100 1.08 400
PP 240 35 110 70 0.9 300
PS 230 40 120 75 1.03 400
PVC Rigide 185 50 120 80 1.4 400

Ecoulement des matériaux thermoplastiques

Ecoulement dans l'empreinte



Lorsque que la matière plastique est injectée dans la cavité d’un moule, il se forme instantanément une gaine solide dans une proportion inversement proportionnelle à la vitesse d’injection.

Par conduction avec le moule froid la matière se refroidit et se fige. Si la vitesse augmente, le matériau se fluidifie.


Cisaillement


La vitesse de la matière étant nulle sur la paroi du moule et maximale au centre de la matière, il existe donc une déformation en cisaillement entre les différentes couches de matière.
Le cisaillement peut donc être définit comme un gradient de vitesse entre deux couches de matière. Il est donc maximal à proximité de l’interface « veine chaude / gaine solide » et minimal au centre.
 
L'augmentation du cisaillement engendre un dés-enchevêtrement des molécules (la mobilité entre les chaînes moléculaires est facilitée), ce qui permet une diminution de la viscosité de la matière. On parle alors de comportement « pseudo-plastique » : chute de la viscosité en fonction du gradient de cisaillement.

Il permet également d’auto-échauffer la matière grâce au frottement qui s’opère entre les molécules. La forme géométrique de la molécule peut donc engendrer une sensibilité plus ou moins importante du polymère face à un taux de cisaillement élevé. Cette sensibilité à l’auto-échauffement peut facilement s’analyser en regardant les courbes de viscosité de la matière.
Le PVC est ainsi beaucoup plus sensible à une élévation de la température, puisque la viscosité chute plus rapidement.

Les matières plastiques à l'état fondu, sont des liquides visqueux car ils possèdent une viscosité supérieure aux liquides standards.



Exemple de courbes de viscosité sur deux matières ayant une sensibilité à la température très différente


Quelques notions de viscosité à température ambiante en Pa.s :
Viscosité de l’air : 1.7-5
Viscosité de l’eau à 20°C: 10-3
Viscosité de l’huile : 10-2 à 1
Viscosité d’un polymère : 102 à 104
Viscosité du verre : 102 à 104

Temps d’injection



La solidification de la matière, au contact du moule froid, durant la phase de remplissage, sera fonction de la vitesse d'injection de la matière. En effet une injection rapide crée une gaine solide fine et une injection lente crée une gaine solide épaisse.

Il est possible de déterminer grâce à la courbe ci-dessus un débit optimal qui minimise la pression d'injection et optimise l'épaisseur de la gaine solide.


Transfert de chaleur dans l’épaisseur



Durant la phase d'injection :
Le moule refroidit le polymère par conduction entre la matière plastique et le moule

Le cisaillement chauffe le polymère grâce à l'échauffement visqueux.
Il existe une compétition entre apport et perte de chaleur, durant la phase d'injection.



AUGUSTE Denis février 2013