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

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1-1 SYS-849: Techniques avances de mise en forme

SYS-849

Techniques avances de mise en forme

Cours 12: Mise en forme des polymres

Professeur: Victor Songmene: 8869

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


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MOULAGE PAR INJECTION injection molding

Introduction

Procds de mise en forme des plastiques

Systme de moulage par injection

Procd

Matriaux

Cycle de moulage

Estimation du temps de cycle

Estimation du nombre optimal de cavits

Guide de conception

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Structure et proprits des polymres

C

H

H

H C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

----

Polymre = longue chaine de plusieurs

millers de molcules

Analogie

Glace Liquide T

Verser dans

une cavit T

Plastiques thermodurcissables: deviennent permanament durs lorsque chaufs et rfroidis et ne ramolissent plus, mme si rchauffs encore

Thermoplastiques: trs rpandus et peu coteux: Chauffs, les thermoplastiques deviennent mous jusqu la liqufaction

Refroidis: ils deviennent durs Chauffs et refroidis, ils passent de mous dur et vis-versa de faon rpte.


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Proprits des thermoplastiques

Polymres et thermoplastiques sont capables de: Se ramolir suite une lvation de temperature

Durcir suite un abaissement de temperature, mme en cycles rpts

parce que les longues chaines des molcules restent des emtits spares.

Proprits Rsistance au choc leve;

Rsistance la corrosion lve;

Facilit de mise en forme;

Proprits mcaniques basses compares aux mtaux mais ils peuvent tre

renforcs par des fibres (jusqu 1/3 du volume du matriau)

Amlioration de la rsistance et de la rigidit;

Rduction de la rsiatance au choc;

Rduction de la vie des moules suite un acroissement de labrasivet.

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Procds usuels de mise

en forme des plastiques

Extrusion

Moulage par injection raction 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

Trs utilis pour les themoplastiques et lastomres pour la

fabrication des :

Tubes Pipes Pices structurales

Fentres Portes

Feuilles et films Filaments continus Isolants lectriques

pour cables et fils


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Principe dextrusion des plastiques



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Extrusion des feuilles et des films


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Combinaison de lextrusion et du souflage

Application:

Production de film

tubulaire



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Production des fibres

et des filaments de polymres Applications:

- Textiles

- Renforts de platiques

(composites)

Fibres

- Synthtiques (75% du march):

Polyesters; nylons, acrylics

- Naturels (25%): Coton, laine


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Dfauts en extrusion

Fracture du mdium

liquide ou solidification

vant remplissage

complet

Cause possible de Fracture :

Changement de section trs brusque

dans le moule

peau pointue et bambou



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Revtement de ploymres

Application des couches de polymres sur un substract: Fils, cables, films et objects

3 dimensions (contour coating)

paisseurs des revtements: 0.01 0.05mm (0.0005-0.002 pouces)

Matriaux: polyethylne, polypropylne, et parfois PVC, Nylon et polyesters

Contrle de la quantit de

polymer appliqu


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Reaction injection molding (RIM) Matriaux: ThemoPlastiques

RIM: Mlange et injection de 2 liquides ractives (A et B) qui se solidifient par raction chimique

Applications: pices automobiles larges comme les anti-chocs

Avantages: Tonnage faible; temps de cycle 2 min; faible utilisation dnergie; faible cot dquipement;



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Compression Molding

Moulage par compression: procd ancien mais trs utilis pur la mise en forme des

plastiques thermoducissables

Avantages: moules simples; peu de pertes;

Inconvenients: Long temps de cycle et faible productivit % moulage par injection

Applications: Pneux et des composites matrix de polymres

Plastiques

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

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Transfert Molding

Matriaux: Plastiques Thermoducissables et lastomres

Transfert

par matrice

Transfert

par loutil (plunger)

Production de rebuts

(cull et sprue)

Complexit des dtails sur les pices

Co

mp

ress

ion

Tra

nsf

ert

Inje

ctio

n



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Extrusion Blow molding

Blow molding: Une pression dair est utilise pour gonfler du plastique mou dans la cavit dun moule.Le plastique est pinc une extremit et glonfer de

lautre

Applications: bouteilles et containeurs


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Injection Blow molding

Avantages compar extrusion blow-moulding:

- Taux de production lv; combinaison des oprations (injection et souflage)

- Meilleur prcision sur les dimensions finales

- Faible taux de rejet

- Faible rebuts



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Moulage-souflage ou tirage

Stretch Blow molding

Procd souvent automatis et intgr avec dautres

oprations: remplissage, tiquetage, etc


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Thermoformage sous vide



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Thermoformage pression

Trou de faible dimension : 0.8 mm pour limiter leffet sur le plastique

Pressions de travail: 3-4 atm


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Thermoformage tendance

Moule mle ou moule positif : Mieux contrler la qualit des pices, surtout lamincissement; En

effet la surface du plastique en contact avec le moule solidifie plus vite, limitant ainsi ltirement

et donc lamincissement.



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Rotational molding


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Matriaux des pices

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


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Moulage par injection- Injection molding

Matriaux usuels : thermoplastiques

Procd trs rapide: temps de cycle 10 30 sec;

1 min pour de larges pices


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Cycles de moulage par injection


La qualit de la pice dpend de:

Tempratures (injection. Moules, buse dinjection); Vitesse dinjection; Pression dinjection


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Cycles de moulage


Le refroidissement est la plus gande composante du temps de cycle

Ou

vert

ure

du

mo

ule

Ret

rait

de

la p

ice

Aju

tem

ent

du

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ule

po

ur

la

pro

cha

ine

pie

ce

Ds

qu

e l

a c

avi

t e

st r

emp

lie

Ap

pli

qu

er l

a p

ress

ion

et

le c

om

pa

cta

ge

a l

ieu

Fusion du polymre;

Remplissage des

cavits

Solidification sous pression

Pour viter le retour:

reverse flow

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Cot du moule


Ac: surface de la base du moule (cm2)

hp: somme des profondeurs de la cavit

et du noyau (cm)


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Matriaux usuels des moules

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Moule 2 plaques



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Moule 3 plaques


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Retraicissement ou shrinkage

Les polymres ont un coefficient dexpansion thermique lv:

Lors du refroidissement, le rtraicissement intervient; Pour compenser

les dimensions du moule doivent tre plus grandes que celles de la

pice dsire.

Valeurs de retraicissement: S (mm/mm) ou (in/in) (Rudin, 1973)

ABS: 0.006; Polyethylne: 0.025

Nylon-6,6: 0.020 Polystyrne: 0.004

Polycarbonate: 0.007 PVC: 0.005

(Rudin, 1973) Dc: dimension de la cavit Dp: Dimension de la pice

S: Retraicissement



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

Volume dinjection vs vol. pice


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Tonnage des machines et cot dopration

X 106N

Cr = ki + mi F

F:

Cr

ki = 22 $/h

mi = 0.0091 $/h/kN


SYS-849 Temps de cycle

Temps dinjection

Temps de refroidissement

Temps dajustement du moule

Temps de moulage = temps dinjection + temps refroidissement

+ temps dajustement des moules


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SYS-849 Temps dinjection

Si au dbut du remplissage, on utilise la puissance max de

la machine (Pw) et que la pression au nez du systme

dinjection est celle recommande par le fabricant du

polymer (pi), le taux dcoulement peut tre exprim par:

)/( 3 smp

PQ

i

w Pw: puissance dinjection (W) pi: pression d injection recommande (N/m2)

En pratique, le taux dcoulement dcrot au fur et mesure

que le moule se rempli due :

Rsistance des canaux du moule l coulement

constriction des canaux lorsque le polymer se solidifie contre la

parois.



SYS-849 Temps dinjection (2)

Si l on assume que le taux d coulement dcrot avec un

dclration constante jusqu un point o le moule est

remplit, le taux d coulement moyen est:

)/( 3 smp

P0.5Q

i

wmoyen

Pw: puissance dinjection (W)

pi: pression d injection recommande (N/m2)

Le temps dinjection ou de remplissage est alors :

)(2 sP

pV

Q

V

w

is

moyen

s

ft

Vs: volume de la coule `(shot size) en cm3


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Temps de refroidissement

Assumer que le refroidissement des moules se fait par

conduction thermique. Radiation et convection

ngligeables:

Plaques

en mtal Polymer

h

x

La variation de temprature travers la moiti

de lpaisseur du polymer et le temps est donne par:

2

2

x

T

t

T

a: coeff. Diffusivit thermique (mm2/s)

Le temps de refroidissement (tc) peut tre calcul par:

Tm)(Tx

Tm)4(Tiln

ht

2

max2

c

hmax: paisseur maximale (mm)

Tx: temperature de la pice la sortie du moule (C)

Tm: Temperature du moule (C)

Ti: temperature d injection du polymer fondu (C)

a: coeff. diffusivit thermique (mm2/s) Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994


SYS-849 Temps de refroidissement (suite)

Pour un polymer donn, le temps de refroidissement

crot avec le carr de lpaisseur de la pice.

Le moulage par injection est donc inappropri de

point de vue cot pour des pices trop paisses.

Pour des pices section cylindrique, un facteur de

correction de 2/3 doit tre appliqu au diamtre pour

calculer lpaisseur maximale.


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SYS-849 Temps dajustement des moules

Plate Cube Cylindrique

Ouverture moule 2 2.5 3

Retrait pice 0 1.5 3

Fermeture moule 1 1 1

Temps d opration typique des machines dinjection (s)

Gomtrie de la pice

Voir aussi Table 8.4 Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994


SYS-849 Nombre optimal de cavits

Lun des avantages du moulage par injection est que

plusieurs pices similaires ou non peuvent tre produites la

fois sur la mme machine en utilisant des moules dots de

plusieurs cavits.

Ncessit dune plus large machine (taux d opration lev) % au cas

dun moule simple cavit.

Cot des moules plus lev % moule simple cavit

Le temps de cycle /pice dcrot inversement au nombre de pices

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SYS-849 Nombre optimal de cavits

Cots d usinage des moules plusieurs cavits identiques: C1 : Cot dun moule 1 cavit

Cn = C1.nm ; n : nombre de cavit

m = 0.7: multicavity mold index

Cots de production de N pices : C= cot dopration +cot moule+ cot polymre

C= (N/n) (k1 +aF)t+C1nm+NCm

Avec: n: nombre de cavits

k1+aF: taux horaire sur la machine

t: temps d utilisation de la machine

m= 0.7

Cm: prix de polymre par pice


SYS-849 Nombre optimal de cavits (2)

Si plusieurs machines sont disponibles, on peut utiliser celle

qui donne exactement la force de serrage ncessaire:

F = nf f tant la force de sparation pour 1 cavit et n le nombre de cavits

Les cots de production de N pices :

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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SYS-849 Nombre optimal de cavits (3)

Pour une pice donne, la seule variable dans C est la force

F. Le cot est minimal lorsque dC/dF = 0

dC/dF =-Nfk1/F

2+mC1/f)m*F m-1 = 0

)1(

11

m

f

FmCtNk

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

588.0

1

11

1

1

1

7.0

C

tNk

mC

tNkn

mN: Volume de production

t: temps dutilisation de la machine

C1: cot dun moule 1 cavit

k1 + aF : Taux horaire dutilisation de la presse

F: force de serrage Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994


SYS-849 Exemple damelioration de design


Uniformiser les paisseurs

Le temps de refroidissement (tc) :

Tm)(Tx

Tm)4(Tiln

ht

2

max2

c

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SYS-849 Assemblage par soudure



SYS-849 Assemblage par clippage


Assemblage- press-fit et chippage

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