WO2012045630A1 - Démonstrateur de sollicitations multiples - Google Patents

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injection molding
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Olivier Moulinjeune
Gilles Robert
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Rhodia Operations
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Definitions

  • the present invention relates to an article that can be used as a demonstrator of multiple solicitations making it possible in particular to compare the results of simulation tests for different types of mechanical stresses.
  • This demonstrator is a one-piece article made of plastic material comprising a ribbed central beam and two side plates. In particular, flexural, tensile, compressive and torsional tests may be carried out on such a demonstrator.
  • Plastics such as thermoplastic, thermosetting or elastomeric materials are widely used for the manufacture of various articles, such as molded parts and / or injected in particular, in many technical fields. These articles in their various uses suffer damage as a result of external stresses and particularly mechanical stresses that will reduce the mechanical properties of said articles. These problems can become critical for a number of applications, such as in particular parts in the automotive field which are particularly subject to significant heat.
  • structural analysis software such as: Dassault Abaqus®, Ansys-INC Ansys®, Altair's Radioss®, LS-Dyna® by LSTC and PamCrash® from ESI.
  • the Applicant has just developed a particular article injection molded and called demonstrator of multiple solicitations.
  • This article can be specifically dedicated to realize different mechanical stresses, such as flexural, tensile, compressive and torsional tests. Thus, now only one article can be used for all these tests. Furthermore, this article has sufficient complexity to make a number of studies on the behavior and orientation of the fibers in the plastic matrix depending on the location of the injection points. This tool thus becomes a privileged partner for comparing the experimental results with the various simulation tools mentioned above.
  • the present invention thus relates to an article, in particular a demonstrator of multiple solicitations, made in one piece by injection molding of a plastic formulation and comprising:
  • each plate comprises at least two through holes 3.
  • Such an article thus has a symmetrical structure of the two plates with respect to the central beam, in particular to avoid buckling type deformations during mechanical stresses compression.
  • the section of the ribbed beam may for example be rectangular, T, U, I or I (dumbbell).
  • the plates can be of various shapes including rectangular or circular.
  • the bearing face of a plate on the beam has a flared and curvilinear shape in its connection with the beam; having in particular a connection area of high radii of curvature, for example greater than 30 mm.
  • the section of the beam has an i-shaped, and the platens a circular shape.
  • the bearing face of a plate on the beam has a flared and curvilinear shape in its connection with the beam; to connect the rectangular section of the beam and the circular section of the plate to avoid stress concentrations.
  • Such a shape also makes it possible to locate the stresses on the central beam.
  • the article has in particular plates reinforced by a rib network located on the face opposite to the bearing surface on the beam so that the ends are more rigid than the useful part.
  • the article has a minimum number of fixing holes of two to limit the stresses and avoid the asymmetries of loading; in particular between four and ten holes, more preferably eight holes.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of an article according to the invention comprising a ribbed beam 1 and two 2 plates themselves including ribs 4; platinum ledsites each comprising 8 through holes 3.
  • the length of the beam is preferably greater than the diameter of the plates. In particular, a length ratio of the beam / diameter of the plates between 2 and 10 is preferred.
  • the circular plates have the same diameter, and even more preferably the two circular plates have exactly the same shape.
  • the injection points for producing the article can be placed at different locations in the mold, such as in particular at the level of the plates or at the level of the beam. The position of the injection point (s) thus makes it possible to vary the fiberglass orientations and thus the microstructure of the article.
  • the plastic material may in particular be a thermoplastic, thermosetting or elastomeric material. Thermoplastics include polyolefins, polyamides and polyesters.
  • the plastic formulation may comprise reinforcing or filling fillers which are conventionally used fillers. Fibrous reinforcing fillers, such as glass fibers, carbon fibers, or organic fibers, may be mentioned, non-fibrous fillers, such as particulate fillers, lamellar fillers and / or exfoliable or non-exfoliatable nanofillers, such as alumina, carbon black, clays, zirconium phosphate, kaolin, calcium carbonate, copper, diatoms, graphite, mica, silica, titanium dioxide, zeolites, talc, wollastonite, polymeric fillers such as, for example, dimethacrylate particles, glass beads or glass powder.
  • the plastic formulation may further include commonly used additives. Thus, mention may be made of lubricants, flame retardants, plasticizers, nucleating agents, catalysts, antioxidants, reinforcing agents, shocks, antistats, dyes, mattifying agents, molding aid additives or other conventional additives.
  • fillers and additives may be added to the plastic by usual means adapted to each filler or additive, such as for example during the polymerization of plastic polymers or in melt blending, especially in extrusion.
  • the present invention also relates to the use of an article made according to the present invention as a demonstrator of multiple solicitations; that is to say to perform different tests of mechanical stress. These tests can be conducted by varying external conditions such as light, temperature, humidity or the presence of a fluid. These tests are conventionally tests of bending, traction, compression, and torsion well known in the technical field.
  • the present invention also relates to a structural analysis optimization method of a plastic article comprising at least the following steps: a) performing experimental tests of mechanical stresses on the article, ie the demonstrator, of the present invention;
  • step b) perform injection molding transformation simulations and mechanical stress calculations on a virtual model of the demonstrator of step a);
  • steps a) and b) correlating the results of steps a) and b) so as to improve finite element models and behavior laws of materials.
  • step b) The calculations of step b) can be performed with the structural analysis software described in the introductory part.
  • step c) The comparison of the results of step c) is carried out by any technique judged necessary by those skilled in the art by including in a non-exhaustive manner: the comparison of the force-displacement, force-time or displacement-time curves, the observation of the deformation field by image correlation measurement ....
  • step c) non-exhaustive teaching is drawn from the differences between calculations and tests, the identification of optimized parameters for the material laws, an improvement of the material choices, an improvement of the molding protocols.
  • a demonstrator according to the invention is molded and a compression test is carried out under conditions determined according to step a ).
  • the result is a measurement of the force applied as a function of the compression ratio.
  • An injection molding transformation simulation and compressive stress calculations are then performed on a virtual model of the demonstrator according to step b) using exactly the same molding and compression test conditions as the step a).
  • the results of steps a) and b) are then compared. If we observe differences between these results we will then modify the data of finite element calculation models, injection simulation software and / or behavior laws of the materials in compression in order to optimize them after having confronted them with a real case according to step a).
  • This can be reproduced with various formulations comprising various levels of additives, see additives of different natures.
  • a set of data is then obtained for various formulations and various mechanical properties in particular.
  • the present invention also relates to the use of structural analysis optimization of a plastic article as defined above for the production of plastic article by injection molding, on an industrial scale in particular.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a plastic article by injection molding in which said article has been developed by using an article, ie the demonstrator of multiple solicitations, as defined above, in particular for the structural analysis optimization of a plastic article.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a plastic article by injection molding in which said article has been developed in using structural analysis of an optimized plastic article as previously described.
  • the demonstrator of multiple solicitations will allow to correlate the experimental results and the virtual modelization of the demonstrator and thus to optimize and reinforce the results of the data of the models of calculations by finite elements, simulation software of injection and / or laws behavior of materials in compression; which will subsequently allow to produce technical plastic articles with greater efficiency; for example, the choice of injection points for the melt, the design of the parts, the injection molding parameters and the formulation of the plastic material. This will also optimize the design of the mold by avoiding the use of expensive physical prototypes.

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Abstract

La présente invention concerne un article utilisable comme démonstrateur de sollicitations multiples permettant notamment de comparer les résultats d'essais de simulations pour différents types de sollicitations mécaniques. Ce démonstrateur est un article réalisé d'une seule pièce en matériau plastique comprenant une poutre centrale nervurée et de deux platines latérales. Des essais de flexion, de traction, de compression et de torsion peuvent notamment être réalisés sur un tel démonstrateur.

Description

DEMONSTRATEUR DE SOLLICITATIONS MULTIPLES
La présente invention concerne un article utilisable comme démonstrateur de sollicitations multiples permettant notamment de comparer les résultats d'essais de simulations pour différents types de sollicitations mécaniques. Ce démonstrateur est un article réalisé d'une seule pièce en matériau plastique comprenant une poutre centrale nervurée et de deux platines latérales. Des essais de flexion, de traction, de compression et de torsion peuvent notamment être réalisés sur un tel démonstrateur.
ART ANTERIEUR
Les matières plastiques telles que les matières thermoplastiques, thermodurcissables ou élastomériques sont largement utilisées pour la fabrication de divers articles, tels que des pièces moulées et/ou injectées notamment, dans de nombreux domaines techniques. Ces articles dans leurs diverses utilisations subissent des dégradations suite à des contraintes externes et particulièrement des contraintes mécaniques qui vont diminuer les propriétés mécaniques desdits articles. Ces problèmes peuvent devenir critiques pour un certain nombre d'applications, tels que notamment des pièces dans le domaine de l'automobile qui sont notamment soumises à des chaleurs importantes. II existe de nombreux logiciels d'analyse de structure par éléments finis, également appelés « structural analysis software », tels que : Abaqus® de Dassault, Ansys® d'Ansys-INC, Radioss® d'Altair, LS-Dyna® de LSTC et PamCrash® de ESI. Ces logiciels permettent de résoudre des problèmes d'ingénierie linéaires et non linéaires complexes en s'appuyant sur l'analyse par éléments finis. En effet, ces logiciels solveurs calculent les états de contraintes sur les pièces plastiques à partir d'un maillage de ces pièces. Un maillage est une discrétisation spatiale d'un milieu continu et une modélisation géométrique par des éléments proportionnés finis et bien définis. Ces logiciels permettent ainsi d'optimiser le processus de conception et de résoudre les problèmes de validations produits, tout en minimisant les coûts.
Sur des formulations plastiques non homogènes comprenant des additifs et des charges de renfort ou de remplissage, ces logiciels peuvent donner des résultats imprécis car ils ne tiennent pas compte des états d'orientation des fibres liés à la mise en œuvre par moulage par injection. Ils ne disposent par ailleurs pas de modèles de comportement adapté aux matériaux plastiques et leurs formulations qui peuvent comprendre divers charges et additifs, permettant de décrire le comportement physique liée à l'utilisation de ce type de matériau.
Il existe désormais des logiciels, comme le logiciel Digimat® d'e-Xstream, qui interviennent pour rentrer en collaboration avec les logiciels de structure de manière à agir ensemble comme solveur pour améliorer les simulations de contraintes par éléments finis. Ces logiciels intègrent en effet deux ensembles d'informations provenant en premier lieu des formulations plastiques et de leurs comportements mécaniques tels que les comportements élastiques, élasto- plastiques, élasto-visco-plastique, thermo-élastiques, en fatigue ; et en deuxième lieu provenant des logiciels de simulation d'injection tels que Moldflow®, Moldex®, Sigma Soft® et REDM3D® qui permettent d'effectuer une simulation d'injection de pièces plastiques et de déterminer l'orientation des fibres de verre dans la pièce en fonction des paramètres du moulage par injection. Ces logiciels vont fournir les tenseurs d'orientation des fibres de la pièce plastique. Une telle collaboration entre les logiciels et les données sur les formulations va ainsi permettre une simulation améliorée des états de contrainte sur les éléments finis.
Toutefois, il n'était pas possible jusqu'à maintenant de corréler parfaitement les résultats de ces simulations avec les observations concrètes issues des essais expérimentaux car il n'existait pas d'article complet pour ce faire. En effet, par exemple les tests de flexion sont classiquement effectués sur des poutres nervurées alors que les tests de compression, de tension ou de traction sont effectués sur des éprouvettes normales ou de type haltères. Ces résultats expérimentaux ne pouvaient ainsi pas être comparés avec les simulations sur des articles finis et injectés. On ne pouvait pas non plus sur ce type d'éprouvette simple faire des comparaisons en utilisant différents point d'injection pour apprécier les comportement des fibres dans la matrice plastique et donc le comportements mécaniques liés à ces points d'injection.
INVENTION
La Demanderesse vient de mettre au point un article particulier moulé par injection et appelé démonstrateur de sollicitations multiples. Cet article peut être spécifiquement dédié pour réaliser différentes sollicitations mécaniques, telles que des tests de flexion, traction, compression et torsion. Ainsi, désormais un seul article peut être utilisé pour tous ces essais. Par ailleurs cet article présente une complexité suffisante permettant d'effectuer un certain nombre d'études sur le comportement et l'orientation des fibres dans la matrice plastique en fonction de l'emplacement des points d'injection. Cet outil devient ainsi un partenaire privilégié pour comparer les résultats expérimentaux avec les divers outils de simulations mentionnés précédemment.
La présente invention concerne ainsi un article, notamment un démonstrateur de sollicitations multiples, réalisé d'une seule pièce par moulage par injection d'une formulation plastique et comprenant :
une poutre centrale nervurée 1 oblongue, et
deux platines 2 nervurées qui sont placées symétriquement et perpendiculairement aux extrémités de ladite poutre ; chaque platine comprend au moins deux trous 3 traversants.
Un tel article présente ainsi une structure symétrique des deux platines par rapport à la poutre centrale, notamment pour éviter des déformations de type flambage lors des sollicitations mécaniques de compression.
La section de la poutre nervurée peut par exemple être rectangulaire, en T, en U, en I ou en I (haltère). Les platines peuvent être de diverses formes notamment rectangulaires ou circulaires.
D'une manière préférentielle la face d'appui d'une platine sur la poutre présente une forme évasée et curviligne dans son raccordement avec la poutre ; présentant notamment une zone de raccordement de rayons de courbures élevées, par exemple supérieure à 30 mm.
D'une manière préférentielle, la section de la poutre présente une forme en i , et les platines une forme circulaire. Dans ce cas, la face d'appui d'une platine sur la poutre présente une forme évasée et curviligne dans son raccordement avec la poutre ; pour relier la section rectangulaire de la poutre et la section circulaire de la platine afin d'éviter les concentrations de contraintes. Une telle forme permet par ailleurs de localiser les contraintes sur la poutre centrale.
L'article présente notamment des platines renforcées par un réseau de nervure située sur la face opposée à la face d'appui sur la poutre pour que les extrémités soient plus rigides que la partie utile. L'article présente un nombre minimale de trous de fixation de deux pour limiter les contraintes et éviter les dissymétries de chargement ; notamment compris entre quatre et dix trous, plus préférentiellement huit trous.
Il est a noter qu'il est parfaitement possible de rajouter un ou plusieurs inserts dans l'article, notamment un insert métallique ou en matériau composite.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre fait en référence au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel la Figure 1 est une vue schématique en perspective d'un article selon l'invention comprenant une poutre nervurée 1 et deux 2 platines elles-mêmes comprenant des nervures 4 ; ledsites platines comprenant chacune 8 trous traversants 3. La longueur de la poutre est préférentiellement supérieure au diamètre des platines. On préfère notamment un rapport longueur de la poutre / diamètre des platines compris entre 2 et 10.
D'une manière préférentielle les platines circulaires présentent le même diamètre, et d'une manière encore plus préférentielle les deux platines circulaires ont exactement la même forme. Les points d'injection pour la réalisation de l'article peuvent être placés a différents endroit du moule, tel que notamment au niveau des platines ou au niveau de la poutre. La position du ou des points d'injection permet ainsi de faire varier les orientations de fibres de verre donc de la microstructure de l'article. La matière plastique peut notamment être une matière thermoplastique, thermodurcissable ou élastomérique. On peut citer comme matière thermoplastique les polyoléfines, les polyamide et les polyesters.
La formulation plastique peut comprendre des charges de renfort ou de remplissage qui sont des charges classiquement utilisées. On peut notamment citer les charges fibreuses de renfort, telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, ou des fibres organiques, les charges non fibreuses, telles que des charges particulaires, lamellaires et/ou les nanocharges exfoliables ou non exfoliables comme l'alumine, le noir de carbone, les argiles, le phosphate de zirconium, le kaolin, le carbonate de calcium, le cuivre, les diatomées, le graphite, le mica, la silice, le dioxyde de titane, les zéolites, le talc, la wollastonite, les charges polymériques telles que, par exemple, des particules de diméthacrylates, les billes de verre ou de la poudre de verre. La formulation plastique peut en outre comprendre des additifs usuellement utilisés. Ainsi, on peut citer les lubrifiants, les agents ignifugeants, les plastifiants, les agents nucléants, les catalyseurs, les antioxydants, les agents de renfort de chocs, les antistatiques, les colorants, les matifiants, les additifs d'aide au moulage ou autres additifs conventionnels.
Ces charges et additifs peuvent être ajoutés au plastique par des moyens usuels adaptés à chaque charge ou additif, tel que par exemple lors de la polymérisation des polymères plastiques ou en mélange en fondu, notamment en extrusion.
La présente invention concerne aussi l'utilisation d'un article réalisé selon la présente invention comme démonstrateur de sollicitations multiples ; c'est-à-dire pour réaliser différents essais de sollicitations mécaniques. Ces essais peuvent être conduit en faisant varier des conditions externes telles que la lumière, la température, l'humidité ou la présence d'un fluide. Ces essais sont classiquement des tests de flexion, traction, compression, et torsion biens connus du domaine technique.
La présente invention concerne également un procédé d'optimisation d'analyse structurelle d'un article plastique comprenant au moins les étapes suivantes : a) effectuer des essais expérimentaux de sollicitations mécaniques sur l'article, c'est-à-dire le démonstrateur, de la présente invention ;
b) effectuer des simulations de transformation par moulage par injection et des calculs de sollicitations mécaniques sur une modélisation virtuelle du démonstrateur de l'étape a) ;
c) corréler les résultats des étapes a) et b) de façon à améliorer les modèles de calcul par éléments finis et les lois de comportement des matériaux.
Les calculs de l'étape b) peuvent être réalisés avec les logiciels d'analyse de structure décrits dans la partie introductive.
La comparaison des résultats de l'étape c) se fait par toutes techniques jugées nécessaires par l'homme de l'art en incluant de manière non exhaustive : la comparaison des courbes force-déplacement, force-temps ou déplacement- temps, l'observation du champ de déformation par mesure corrélation d'image ... . A l'étape c), on tire comme enseignement de manière non exhaustive des écarts entre calculs et essais, l'identification de paramètres optimisés pour les lois matériaux, une amélioration des choix matériaux, une amélioration du protocoles de moulage.
A titre d'exemple et pour l'optimisation des modèles et lois de comportement de la résistance en compression de formulations polyamides, un démonstrateur selon l'invention est moulé et on effectue un test de compression dans des conditions déterminées conformément à l'étape a). On obtient comme résultat une mesure de la force appliquée en fonction du taux de compression. On procède ensuite à une simulation de transformation par moulage par injection et des calculs de sollicitations en compression sur une modélisation virtuelle du démonstrateur conformément à l'étape b) en utilisant exactement les mêmes conditions de moulage et de test de compression qu'a l'étape a). On compare alors les résultats des étapes a) et b). Si on observe des différences entre ces résultats on modifiera alors les données des modèles de calculs par éléments finis, des logiciels de simulation d'injection et/ou des lois de comportement des matériaux en compression de façon a les optimiser après les avoir confrontés a un cas réel selon l'étape a). Ceci peut être reproduit avec diverses formulations comprenant divers taux d'additifs, voir des additifs de natures différentes. On obtient alors un ensemble de données pour diverses formulations et diverses propriétés mécaniques notamment.
La présente invention concerne également l'utilisation de l'optimisation d'analyse structurelle d'un article plastique tel que défini précédemment pour la réalisation d'article plastique par moulage par injection, à l'échelle industrielle notamment.
L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un article plastique par moulage par injection dans lequel ledit article a été développé en utilisant un article, c'est à dire le démonstrateur de sollicitations multiples, tel que défini précédemment, notamment pour l'optimisation d'analyse structurelle d'un article plastique. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un article plastique par moulage par injection dans lequel ledit article a été développé en utilisant une analyse structurelle d'un article plastique optimisée telle que décrit précédemment. En effet, le démonstrateur de sollicitations multiples va permettre de corréler les résultats expérimentaux et la modélisation virtuelle du démonstrateur et ainsi optimiser et renforcer les résultats des données des modèles de calculs par éléments finis, des logiciels de simulation d'injection et/ou des lois de comportement des matériaux en compression ; ce qui va permettre par la suite de réaliser des articles plastiques techniques avec une meilleure efficacité ; par exemple par le choix des points d'injection de la matière fondue, le design des pièces, les paramètres de moulage par injection et la formulation de la matière plastiques. Ceci permettra également d'optimiser la conception du moule en évitant de recourir à des prototypes physiques coûteux.
Un langage spécifique est utilisé dans la description de manière à faciliter la compréhension du principe de l'invention. Il doit néanmoins être compris qu'aucune limitation de la portée de l'invention n'est envisagée par l'utilisation de ce langage spécifique. Des modifications, améliorations et perfectionnements peuvent notamment être envisagés par une personne au fait du domaine technique concerné sur la base de ses propres connaissances générales. Le terme et/ou inclut les significations et, ou, ainsi que toutes les autres combinaisons possibles des éléments connectés à ce terme.
D'autres détails ou avantages de l'invention apparaîtront plus clairement au vu des exemples donnés ci-dessous uniquement à titre indicatif.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Article réalisé d'une seule pièce par moulage par injection d'une formulation plastique et comprenant :
- une poutre centrale nervurée (1 ) oblongue, et
deux platines (2) nervurées qui sont placées symétriquement et perpendiculairement aux extrémités de ladite poutre ; chaque platine comprend au moins deux trous (3) traversants.
2. Article selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section de la poutre nervurée est rectangulaire, en T, en U, en I ou en I .
3. Article selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les platines sont de formes rectangulaires ou circulaires.
4. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face d'appui d'une platine sur la poutre présente une forme évasée et curviligne dans son raccordement avec la poutre.
5. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la section de la poutre présente une forme en i, et les platines une forme circulaire ; et la face d'appui d'une platine sur la poutre présente une forme évasée et curviligne dans son raccordement avec la poutre ; pour relier la section rectangulaire de la poutre et la section circulaire de la platine.
6. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les platines sont renforcées par un réseau de nervure située sur la face opposée à la face d'appui sur la poutre.
7. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les platines comprennent chacune entre quatre et dix trous.
8. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la formulation plastique est à base d'une matière thermoplastique choisi dans le groupe constitué par les polyoléfines, les polyamide et les polyesters.
9. Article selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la formulation plastique comprend des charges de renfort ou de remplissage.
10. Utilisation d'un article selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comme démonstrateur de sollicitations multiples.
1 1 . Procédé d'optimisation d'analyse structurelle d'un article plastique comprenant au moins les étapes suivantes :
a) effectuer des essais expérimentaux de sollicitations mécaniques sur l'article tel que défini dans les revendications précédentes ;
b) effectuer des simulations de transformation par moulage par injection et des calculs de sollicitations mécaniques sur une modélisation virtuelle du démonstrateur de l'étape a) ;
c) corréler les résultats des étapes a) et b) de façon à améliorer les modèles de calcul par éléments finis et les lois de comportement des matériaux
12. Utilisation de l'optimisation d'analyse structurelle d'un article plastique tel que défini dans la revendication 1 1 , pour la réalisation d'un article plastique par moulage par injection.
13. Procédé de fabrication d'un article plastique par moulage par injection dans lequel ledit article a été développé en utilisant un article tel que défini dans les revendications 1 à 9.
14. Procédé de fabrication d'un article plastique par moulage par injection dans lequel ledit article a été développé en utilisant une analyse structurelle d'un article plastique optimisée définie dans la revendication 1 1 .
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