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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
1-2 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
2
1-3 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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.
1-4 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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.
3
1-5 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
1-6 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-7 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Principe dextrusion des plastiques
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-8 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Extrusion des feuilles et des films
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-9 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Combinaison de lextrusion et du souflage
Application:
Production de film
tubulaire
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-10 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-11 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-12 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-13 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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;
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-14 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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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1-15 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-16 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-17 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-18 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Moulage-souflage ou tirage
Stretch Blow molding
Procd souvent automatis et intgr avec dautres
oprations: remplissage, tiquetage, etc
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-19 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Thermoformage sous vide
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-20 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Thermoformage pression
Trou de faible dimension : 0.8 mm pour limiter leffet sur le plastique
Pressions de travail: 3-4 atm
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-21 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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.
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-22 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Rotational molding
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-23 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Matriaux des pices
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
1-24 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Moulage par injection- Injection molding
Matriaux usuels : thermoplastiques
Procd trs rapide: temps de cycle 10 30 sec;
1 min pour de larges pices
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-25 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Cycles de moulage par injection
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
La qualit de la pice dpend de:
Tempratures (injection. Moules, buse dinjection); Vitesse dinjection; Pression dinjection
1-26 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Cycles de moulage
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
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
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st r
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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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1-27 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Cot du moule
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
Ac: surface de la base du moule (cm2)
hp: somme des profondeurs de la cavit
et du noyau (cm)
1-28 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Matriaux usuels des moules
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1-29 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Moule 2 plaques
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-30 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Moule 3 plaques
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
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1-31 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
Source: M.P. Groover, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley &Sons, 2012
1-32 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Runner : (Shot size - Part volume) / part volume
Volume dinjection vs vol. pice
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
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1-33 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
Tonnage des machines et cot dopration
X 106N
Cr = ki + mi F
F:
Cr
ki = 22 $/h
mi = 0.0091 $/h/kN
1-34 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
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1-35 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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.
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
1-36 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
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1-37 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849
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
1-38 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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.
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
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1-39 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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
1-40 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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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1-41 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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
1-42 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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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1-43 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
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
1-44 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849 Exemple damelioration de design
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
Uniformiser les paisseurs
Le temps de refroidissement (tc) :
Tm)(Tx
Tm)4(Tiln
ht
2
max2
c
23
1-45 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849 Assemblage par soudure
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
1-46 SYS-849: Techniques avances de mise en forme
SYS-849 Assemblage par clippage
Source: Boothroyd et al., Product design for Manufacture & Assembly, Dekker, 1994
Assemblage- press-fit et chippage