Pourquoi certains produits se fissurent-ils ou se déforment-ils de manière inattendue ? Il est essentiel de comprendre les forces cachées dans les matériaux. Cet article explore la manière dont les contraintes internes se forment au cours du processus de refroidissement des produits moulés par injection, en se concentrant sur les effets des gradients de température et des pressions de moulage. Vous apprendrez comment ces contraintes influent sur la qualité des produits et découvrirez des stratégies pour les minimiser, afin d'obtenir des matériaux plus solides et plus fiables. Plongez dans cet ouvrage pour découvrir les secrets des contraintes internes et améliorer votre processus de fabrication.
1. La génération de contraintes internes
Dans les produits moulés par injection, l'état de contrainte présente des variations locales qui influencent considérablement les schémas de déformation du produit. Ces contraintes, connues sous le nom de "contraintes de formage", proviennent principalement des gradients de température au cours du processus de refroidissement.
Les contraintes internes dans les produits moulés par injection peuvent être classées en deux catégories principales : les contraintes de moulage et les contraintes thermiques.
Lorsque le polymère fondu est injecté dans une cavité de moule plus froide, une solidification rapide se produit à l'interface de la paroi de la cavité. Ce refroidissement soudain provoque le "gel" des chaînes de polymères dans un état de non-équilibre, ce qui se traduit par une mauvaise conductivité thermique et de forts gradients de température dans l'épaisseur du produit. Le noyau du produit se solidifie plus lentement, ce qui conduit souvent à des scénarios où la porte se solidifie avant la solidification complète du noyau. Ce phénomène empêche la machine de moulage par injection de compenser le retrait induit par le refroidissement.
Par conséquent, une distribution complexe des contraintes se développe à l'intérieur du produit : l'intérieur subit une contrainte de traction, tandis que la couche superficielle subit une contrainte de compression. Cette répartition des contraintes crée un modèle de rétrécissement interne qui s'oppose au comportement de la couche de peau rigide.
Pendant la phase de remplissage, la génération de contraintes n'est pas uniquement attribuée aux effets du retrait volumétrique. L'expansion du système de glissières et de la zone d'obturation y contribue également de manière significative. Les contraintes induites par le retrait s'alignent sur la direction de l'écoulement de la matière fondue, tandis que les contraintes liées à l'expansion agissent perpendiculairement à l'écoulement, en raison de l'expansion localisée à la sortie de l'opercule.
Dans des conditions de refroidissement rapide, l'orientation peut entraîner la formation de contraintes internes dans le matériau polymère. En raison de la viscosité élevée du polymère fondu, les contraintes internes ne peuvent pas se relâcher rapidement, ce qui affecte les propriétés physiques et la stabilité dimensionnelle du produit.
Effets des paramètres sur le stress lié à l'orientation :
Une température de fusion élevée entraîne une faible viscosité et une réduction de la contrainte de cisaillement, ce qui réduit l'orientation. Cependant, la température élevée accélère également la relaxation des contraintes et améliore la libération de l'orientation. Si la pression de la machine de moulage par injection n'est pas ajustée, la pression dans la cavité augmentera, ce qui renforcera l'effet de cisaillement et augmentera la contrainte d'orientation.
L'allongement du temps de maintien avant la fermeture de la buse augmente la contrainte d'orientation.
L'augmentation de la pression d'injection ou de maintien augmente la contrainte d'orientation.
Une température de moule élevée garantit un refroidissement lent du produit, ce qui joue un rôle de désorientation.
L'augmentation de l'épaisseur du produit réduit la contrainte d'orientation car les produits à parois épaisses se refroidissent lentement, ce qui entraîne une lente augmentation de la viscosité et un long processus de relaxation des contraintes, d'où une faible contrainte d'orientation.
Comme indiqué précédemment, l'important gradient de température entre la matière fondue et la paroi du moule pendant le remplissage du moule entraîne une contrainte de compression (contrainte de retrait) dans la couche extérieure et une contrainte de traction (contrainte d'orientation) dans la couche intérieure.
Si le moule est rempli pendant une période prolongée sous l'influence de la pression de maintien, le polymère fondu est rechargé dans la cavité, ce qui augmente la pression de la cavité et modifie la contrainte interne causée par l'irrégularité de la température. Toutefois, si le temps de maintien est court et que la pression dans la cavité est faible, le produit conservera son état de contrainte d'origine pendant le refroidissement.
Si la pression de la cavité est insuffisante dans les premiers stades du refroidissement du produit, la couche extérieure du produit formera une dépression due au retrait de solidification. Si la pression de la cavité est insuffisante dans les phases ultérieures, lorsque le produit a formé une couche froide et dure, la couche intérieure du produit peut se séparer en raison de la rétraction ou former une cavité.
Le maintien de la pression dans la cavité avant la fermeture de la porte permet d'augmenter la densité du produit et d'éliminer les contraintes liées à la température de refroidissement, mais il entraîne également une forte concentration de contraintes à proximité de la porte.
Par conséquent, lors du moulage de polymères thermoplastiques, une pression plus élevée dans le moule et un temps de maintien plus long permettent de réduire la contrainte de retrait causée par la température et d'augmenter la contrainte de compression.
Les contraintes internes d'un produit influencent considérablement ses propriétés mécaniques et ses performances globales. Une répartition non uniforme des contraintes peut entraîner la formation de fissures pendant l'utilisation du produit, compromettant ainsi son intégrité structurelle et sa longévité.
Lorsqu'ils sont utilisés à une température inférieure à la température de transition vitreuse, les produits peuvent subir une déformation irrégulière ou un gauchissement. En outre, la surface peut blanchir ou se troubler, ce qui dégrade les propriétés optiques et l'attrait esthétique. Ces phénomènes sont souvent des manifestations de contraintes résiduelles piégées dans le matériau au cours du traitement.
Pour atténuer la répartition inégale des contraintes et améliorer l'uniformité des propriétés mécaniques, plusieurs stratégies peuvent être employées :
Les polymères cristallins et amorphes présentent une résistance à la traction anisotrope, une caractéristique étroitement liée à l'orientation moléculaire au cours du traitement. La relation entre la résistance à la traction et les paramètres de traitement varie en fonction du type de polymère et de l'orientation de la grille :
Pour les polymères amorphes :
Ce comportement est attribué à l'interaction entre les effets d'orientation et de désorientation. Des températures de fusion plus élevées augmentent la mobilité moléculaire, favorisant la désorientation et réduisant l'amélioration de la résistance induite par l'orientation. L'orientation des portes influence les schémas d'écoulement, et donc l'alignement moléculaire.
Les polymères amorphes présentent généralement une anisotropie plus forte que les polymères cristallins, ce qui se traduit par une résistance à la traction plus élevée perpendiculairement à la direction de l'écoulement. Le degré d'anisotropie mécanique dépend de la température :
Cette sensibilité à la température souligne l'importance d'un contrôle précis du processus pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées.
En résumé, l'augmentation de la température de fusion diminue généralement la résistance à la traction pour les polymères cristallins et amorphes. Toutefois, les mécanismes sous-jacents diffèrent :
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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