Experimental study of the plug-assisted thermoforming of a polystyrenes blend
Étude expérimentale du thermoformage assisté par poinçon d'un mélange de polystyrènes
Résumé
The plug-assisted thermoforming of a polystyrenes blend is experimentally studied to better understand the physical phenomena involved and to better control the process. This is done on the basis of an experimental approach, including thermoforming tests, rheological studies over a wide range of temperatures, strain rates and loading histories and plug-sheet contact characterisation, including friction and thermal contact resistance measurements. The analysis of the kinematics of the thermoforming process (using a rapid video-camera) leads to the characterisation of the actual loading features, which are rapid (strain-rates up to 100 s-1), sequenced, inhomogeneous and non-isothermal. The influence of the processing parameters is investigated, in particular the importance of the tool-sheet contact where thermal exchanges, friction and rheology interact. The behaviour of the blend within the thermoforming range drastically depends on temperature and strain-rate, due to the proximity of the glass transition. It is mainly reversible and poorly dissipative. The polymer exhibits a progressive change from a hyper-viscoelastic behaviour to an elastic-viscoplastic behaviour, where the a transition temperature deviation, as defined by the couple temperature/strain-rate, appears to be the main driving parameter. The time-temperature principle is extended to large strains. The thermal conditions of the contact, which defines the local temperature close to the plug-sheet interface, qi, are of prime importance. They depend on the plug and sheet temperatures and on the thermal properties of the two materials. Additionally some thermal contact resistance, which remains nevertheless difficult to estimate, can exist. The thermal contact also influences friction, whose effects is significant only when the local cooling of the sheet remains reasonable (qi >Ta). Finally, the friction coefficient between the plug and the sheet appears to depend on the local temperature and on the relative velocity. Phenomenological models are proposed and experimental identification protocols are proposed for each parameter. Their asset are demonstrated within the frame of a numerical simulation.
Nous étudions le thermoformage assisté par poinçon d'un mélange de polystyrènes, afin de progresser dans la compréhension des phénomènes physiques impliqués et de permettre un meilleur contrôle du procédé. Nous nous appuyons pour cela sur une étude expérimentale associant des essais de thermoformage sur prototype instrumenté, une étude rhéologique, conduite sur une large gamme de température, vitesse et mode de chargement, et la caractérisation des interactions poinçon/matière tant du point de vue tribologique que thermique. L'analyse des cinématiques de mise en forme (grâce à une caméra rapide) permet de décrire les conditions réelles de sollicitation de la matière, qui sont rapides (jusqu'à 100 s-1), séquencées, inhomogènes et non isothermes. L'influence des paramètres de mise en œuvre est précisée et, en particulier, le rôle majeur du contact avec le poinçon, qui est le siège d'un fort couplage entre thermique du contact, frottement et rhéologie. Le comportement du polystyrène en thermoformage est fortement évolutif avec la température et la vitesse de sollicitation, du fait de la proximité de la transition a. Il est majoritairement réversible et peu dissipatif. Il évolue continûment d'un comportement hyper-viscoélastique vers un comportement élasto-viscoplastique et nous montrons que c'est l'écart à la transition a, tel qu'il est défini par le couple température/vitesse, qui gouverne ces évolutions. Le principe d'équivalence temps-température peut être étendu aux grandes déformations. La thermique du contact, qui définit la température locale du polymère au niveau de l'interface, qi, est primordiale. Elle dépend de la température et des propriétés thermiques des deux corps, mais aussi de la résistance de contact qui reste cependant difficile à estimer. Elle influence aussi le frottement, dont les effets ne peuvent s'exprimer que lorsque le refroidissement local du polymère n'est pas trop sévère (qi >Ta). En outre, le frottement entre le poinçon et la feuille est thermodépendant et sensible à la vitesse de glissement. Des modélisations phénoménologiques de ces phénomènes et de leurs couplages ont été proposées, ainsi qu'une méthodologie permettant d'identifier expérimentalement les paramètres des modèles. Leur apport a été validé dans un contexte numérique.
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