Modelling filled polymers mixing and rigid fibres break-up in twin-screw extruders
Modélisation du mélange de polymères chargés et de la casse de fibres rigides en extrusion bivis
Résumé
In this thesis, we have attempted to use and to extend previously developed simulation tools to propose characterisation and mixing prediction methods at different scales. At a local macroscopic flow scale, we attempted to use the possibilities given by the 3D finite element software XimeX® and to improve it in order to obtain a tool for mixing simulation of filled polymers in twin-screw extruders. Thus we have enriched the existing finite element method using the Cemef finite element library CimLib© in order to achieve a greater computation accuracy. Then we have tested several particle tracking methods to predict the fillers displacement into the matrix during mixing. Furthermore, we have applied several characterisation methods to these particles tracking results for different screw geometries. At the particle scale, we have focused on the mechanisms leading to rigid fibres (such as glass fibres) breakage during mixing with polymer in twin-screw extruders. We have some assumptions in order to simplify this extremely complex problem. We then have proposed a simulation method of the evolution of the fibres length distribution along the flow. This method is based on the fibres mass conservation. We have used the results of the Ludovic® software 1D computations based on lubrication theory as impute parameters for this simulation. Then we have compared some computational results to length distributions measured on experimental samples taken along a twin-screw extruder.
Dans cette thèse, nous avons voulu exploiter et étendre les outils de simulation à notre disposition pour proposer des méthodes de caractérisation et de prédiction du mélange à différentes échelles. À l'échelle locale d'écoulements macroscopiques, nous avons voulu exploiter les possibilités offertes par le logiciel de simulation 3D éléments finis XimeX® et y apporter des améliorations dans le but d'obtenir un outil d'étude du mélange distributif de particules dans un polymère par extrusion bivis. Nous avons ainsi enrichi la méthode éléments finis existante à l'aide de la bibliothèque éléments finis CimLib© du Cemef pour atteindre une plus grande précision de calcul, puis nous avons testé plusieurs méthodes de lâchers de particules afin de simuler le déplacement de charges dans la matrice polymère au cours du mélange. Nous avons ensuite appliqué quelques méthodes de caractérisations du mélange, dont une inédite, à ces lâchers de particules, et ce dans le cas de plusieurs géométries de vis. À l'échelle de la particule, on s'est intéressé aux mécanismes conduisant à la casse de fibres rigides, telles que les fibres de verre, lors du mélange avec un polymère en extrusion bivis. Nous avons choisi de faire des hypothèses assez importantes afin de simplifier ce problème extrêmement complexe et nous avons proposé une méthode de simulation de l'évolution de la distribution des longueurs de fibres le long de l'écoulement basée sur la conservation de la masse des fibres. Nous avons utilisé comme paramètres de cette simulation les résultats de calcul 1D obtenus par le logiciel Ludovic® qui repose sur des approches de type ALH. Nous avons ensuite comparé quelques résultats de calcul à des distributions de longueurs mesurées sur des échantillons prélevés le long d'une extrudeuse bivis.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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