Shrinkage and warpage predictionof injection molded natural fiber reinforced thermoplastic parts : optimization of 3D simulation for large parts. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Shrinkage and warpage predictionof injection molded natural fiber reinforced thermoplastic parts : optimization of 3D simulation for large parts.

Prédiction des retraits et déformationsdes pièces thermoplastiques injectées et renforcées par des fibres naturelles : optimisation sur des pièces de grandes dimensions en utilisant la simulation 3D.

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Abstract

Injection molding of thermoplastic parts reinforced by fibers can generate high off-plane deformation at cooling due to non-homogeneous and anisotropic shrinkage. An accurate prediction of the dimensional properties is so necessary for the industry. Currently, simulation codes of injection molding process predict parts final shrinkage with deviations from experimental parts measurements, mainly due to complex physical properties. In order to study the final shrinkage at the end of the process, a specific and instrumented mold with a simple geometry has been developed, establishing a link between simulation results from Moldflow software and orthotropic shrinkage measurements. Experimentally, a fine characterization of the studied material, a polypropylene reinforced by 20% wt. of hemp fibers (NAFILean), allowed the study of its microstructure and its thermo-physical properties. A linear increase of fiber content with respect to flow length was measured (+2%/100 mm) and explains the process-induced variations in the thermomechanical properties of the composite. A very low fiber orientation state was also characterized, which however generates a significant anisotropy in thermomechanical properties and shrinkages, suggesting anisotropic elastic fiber properties. A solidification criterion for numerical simulation was also developed with a better description of the effect of crystallization kinetic on the polymer viscosity. Lastly, full-field in-plane shrinkage measurements were performed with a Digital Image Correlation (DIC) methodology. The use of these shrinkage mappings highlighted the significant improvement of simulation results by the enhancement of the material constitutive equations.
L'injection de pièces en thermoplastique renforcé par des fibres peut engendrer, lors du refroidissement, de grandes déformations dues aux retraits non-homogènes et anisotropes du polymère. Une prédiction précise des propriétés dimensionnelles est donc essentielle pour l'industrie. A l’heure actuelle, les codes de simulation du procédé d’injection prédisent un retrait final des pièces présentant des écarts avec les mesures sur pièces réelles, en raison principalement de propriétés physiques complexes. Afin d’étudier le retrait final à l’issue de l’injection, un moule spécifique, instrumenté et de géométrie simple a été développé, permettant d’établir un lien entre la simulation du procédé d’injection sur le code Moldflow et les mesures orthotropes de retraits. D’un point de vue expérimental, une caractérisation fine du matériau d’étude, un polypropylène renforcé à 20% en masse de fibres de chanvre (NAFILean), a permis l’étude de sa microstructure et de ses propriétés thermo-physiques. Une augmentation linéaire de la concentration de fibres le long de l’écoulement a été mesurée (+2%/100 mm) et explique en partie les variations induites par le procédé sur les propriétés thermomécaniques du composite. Un état d’orientation très faible des fibres a été caractérisé, qui génère cependant une anisotropie marquée des propriétés thermomécaniques et des retraits, et suggère des propriétés élastiques anisotropes des fibres. Un critère de solidification à destination de la simulation numérique a également été développé, permettant de mieux appréhender l’effet de la cinétique de cristallisation sur la viscosité du polymère. Enfin, des mesures de champs de retraits ont été effectuées dans le plan d’écoulement à l’aide d’une technique innovante de corrélation d’images (DIC). L’utilisation de ces cartographies de retraits a mis en avant les améliorations significatives des résultats de simulation par l’enrichissement des lois constitutives du matériau.
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tel-03926675 , version 1 (06-01-2023)

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Cite

Antoine Dupuis. Prédiction des retraits et déformationsdes pièces thermoplastiques injectées et renforcées par des fibres naturelles : optimisation sur des pièces de grandes dimensions en utilisant la simulation 3D.. Mécanique des structures [physics.class-ph]. HESAM Université, 2021. Français. ⟨NNT : 2021HESAE011⟩. ⟨tel-03926675⟩
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