Numerical modelling and optimisation of the infrared heating step for the stretch-blow-moulding or PET bottles
Modélisation et optimisation numérique de l'étape de chauffage infrarouge pour la fabrication de bouteilles en PET par injection-soufflage
Résumé
During a stretch-blow-moulding cycle, the heat conditioning of the preform is a critical step. We propose an optimisation method allowing to automatically compute the best set of process parameters for the infrared oven. Firstly, we couple the Nelder-Mead optimisation algorithm with finite-element simulations of the blowing step performed using ABAQUS®. The goal is to calculate the optimal temperature distribution inside the preform, in order to provide a bottle with a uniform thickness. Secondly, we couple a sequential quadratic programming method with an in-lab software devoted to the 3D simulation of the infrared heating. This method aims to calculate the best set of parameters for the infrared oven. Numerical results of the optimisation have been qualitatively validated by comparison with experimental measurements performed using a semi-industrial blowing machine and a simple-design bottle. The radiative properties of PET are measured using an infrared spectrometer. These properties are used to calculate the spectral radiative absorption of PET. Heating simulations are validated with temperature measurements performed with an infrared camera. We also have developed a sensor in order to measure the thermal contact resistance between the polymer and the mould. In addition, the air flow rate was measured inside the preform, and applied as an input parameter. Then, the air pressure is automatically computed using a thermodynamic model. Experimental measurements, performed on an in-lab blowing machine, are used to validate the blowing kinematics and the thickness distribution of the bottle predicted by the simulations.
Lors de la fabrication d'une bouteille par injection-soufflage, le conditionnement thermique de la préforme joue un rôle essentiel. Nous proposons une procédure d'optimisation numérique permettant de calculer automatiquement les paramètres de réglage du four infrarouge. Dans un premier temps, l'algorithme d'optimisation de Nelder-Mead est couplé avec des simulations éléments finis de l'étape de soufflage, réalisées avec ABAQUS®. L'objectif est de calculer la distribution de température optimale de la préforme, permettant d'uniformiser l'épaisseur de la bouteille. Dans un second temps, un algorithme de programmation quadratique séquentielle est couplé avec un modèle numérique de chauffage infrarouge 3D développé au laboratoire. Cette méthode permet de calculer les paramètres optimaux pour le réglage du four. Des mesures expérimentales réalisées sur une machine de soufflage semi-industrielle ont permis de valider qualitativement notre approche pour une bouteille de géométrie simple. Les propriétés radiatives du PET sont mesurées par spectrométrie infrarouge. Ces mesures sont exploitées pour calculer l'absorption spectrale du rayonnement. Le modèle de chauffage est validé à l'aide de mesures thermographiques. Un capteur a été développé pour mesurer la résistance thermique de contact entre le polymère et le moule. Le débit d'air injecté dans la préforme a été mesuré, puis appliqué en tant de donnée d'entrée. La pression de soufflage est alors automatiquement calculée à chaque itération par un modèle thermodynamique. Les cinématiques de mise en forme, ainsi que les distributions d'épaisseurs calculées par le modèle sont conformes à celles mesurées sur un pilote de laboratoire.