Numerical and experimental contribution to blow moulding and thermoforming processes
Contribution expérimentale et numérique aux procédés de moulage par soufflage et de thermoformage
Résumé
Forming processes for hollow plastic bodies, such as blow moulding and thermoforming, involve viscoelastic deformation phenomena of polymers materials at high temperature. In order to numerically simulate such processes by the finite elements method, the knowledge of the non linear behaviour of polymers is of chief importance. In this context, we designed an experimental apparatus based on the bubble inflation technique, which permits to produce the biaxial deformation states encountered in industrial processes. A series of tests with constant blowing air flow rates was carried out on ABS (Acrylonitrile butadiene styrene). The viscoelastic behaviour of this material and the importance of the internal pressure evolution were highlighted. Moreover, the constants of some hyperclastic and non linear viscoelastic constitutive equations were identified. Secondly, a FE code for the simulation of blow moulding and thermoforming processes was developed, in which the comportment laws determined at the previous step were implemented. A dynamic formulation of the problem is adopted and 3-node triangular elements are used for the meshing of the parison. The contact with the mold is assumed to be sticky. The numerical solution uses a central finite differences scheme. As two special features aimed at addressing problem of practical interest, our program was fitted with an adaptative mesh refinement procedure which takes account of the geometric changes and the choice was given to blow the parison with an air flow rate instead of a pressure. Comparisons with semi-analytical and experimental results allowed us to validate our program.
Les procédés de mise en forme de corps creux plastiques, tels que le moulage par soufflage et le thermoformage) mettent en jeu des phénomènes de déformations viscoélastiques des polymères à haute température. Dans le cadre de la simulation numérique par déments finis de ces procédés) la connaissance du comportement structurel non-linéaire de ces polymères est donc primordiale. Dans ce contexte, nous avons réalisé un montage expérimental de soufflage de membranes planes permettant la reproduction des états de déformations biaxiaux rencontrés lors des procédés. Une campagne d'essais de soufflage sous débit constant d'air a ainsi pu être menée sur l' ABS (Acrylonitrile butadiène styrène), ce qui nous a permis de mettre en évidence le caractère viscoélastique de ce matériau ainsi que l'importance de l'évolution de la pression à l'intérieur de la bulle. De plus, les constantes de diverses lois de comportement hyperélastiques et viscoélastiques non-linéaires ont été identifiées avec succès à partir de ces essais. Dans un second temps, nous avons développé un code de calcul par éléments finis pour simuler ces procédés, en y implantant les lois de comportement précédentes. La paraison est modélisée par des éléments finis de membrane triangulaires à trois noeuds et la formulation du problème est dynamique. Le contact entre les parois du moule et la paraison est supposé collant. Pour la résolution, nous utilisons un schéma d'intégration temporelle explicite. De plus, un module de raffinement de maillage prenant en considération les changements de géométrie a été développé. Pour une meilleure prise en compte du contexte industriel, il est possible d'imposer à la paraison un débit d'air plutôt qu'un chargement en pression. Des comparaisons avec des résultats semi-analytiques et expérimentaux ont permis de valider cet outil.