Modeling of the silicone injection

Modeling of the silicone injection
Presented by Dr. LUYE Jean François (PROMOLD)
Sylvain Châtel (1) , Dr. Jean François LUYE (2), Dr. Gilles Régnier (3)
(1) EADS- CRC-F, 12 rue Pasteur BP76, 92152 Suresnes (France)
(2) PROMOLD, 5 bis pas. Geffroy Didelot , 75017 Paris (France)
(3) ENSAM– LTVP, 151 bd de l’Hôpital, 75013 Paris (France)
Summary
This article presents an application of the modelling of the injection of a
silicone charged on applications EADS.
The originality of this application is related to two aspects:
a time of injection of relatively long silicone charged (about 30 minutes)
a condition of injection of imposed the pressure type.
This situation is given by the means of injections used in factory. It acts
of a gun of injection whose pressure is limited to 6 bars. In experiments,
it is observed that the pressure of injection on material is reached
practically instantaneously. All the phase of filling is practically carried
out with pressure of constant injection.
The material used is a resin silicone of low reactivity, but taking into
account the time of injection applied, this characteristic will be tested.
Currently, the software of simulation of the polymer injection works with
imposed flow of injection. The pace of the evolution of the pressure
makes it possible to follow the encountered difficulties of filling, in
particular in order to avoid the opening of the mould.
A priori, all the characteristics described above, make that this case of
silicone injection charged cannot be modelled in a traditional way. The
objective of this article is to show how these difficulties are
circumvented and thus shows the developed method, method adapted
to this type of process of injection.
Dr. LUYE Jean François (PROMOLD)
Résumé
Cet article présente les travaux de modélisation d’écoulement de silicone chargée en
vue d’optimiser la fabrication par injection d’une famille de pièce EADS.
L’objectif est de développer un outil numérique capable de modéliser l’écoulement de
silicone chargée afin d’optimiser les paramètres et la stratégie d’injection d’une famille
de pièce réalisée en série.
Après avoir identifié le comportement du matériau, des développements spécifiques
prenant en compte le comportement complexe du silicone chargée et les conditions
d’injection en usine, ont été couplés à MOLDFLOW.
Les simulations d’injection, appliquées sur la gamme actuellement utilisée en
production, ont montré l’influence de la géométrie du moule, de la stratégie d’injection
employée, sur l’écoulement de la silicone chargée et sur la qualité du matériau. D’autres
modélisations ont par la suite permis de participer à l’optimisation de la fabrication de la
famille de pièces.
Cet article décrit ainsi un exemple d’utilisation de la modélisation comme outils
d’assistance à l’optimisation de procédé d’élaboration.
Cette conférence présente une application de la modélisation de l’injection d’une
silicone chargée sur des applications EADS.
L’originalité de cette application est liée à deux aspects :
un temps d’injection de la silicone chargée relativement long (de l’ordre de 30 minutes)
une condition d’injection de type pression imposée.
Cette situation est donnée par les moyens d’injections utilisées en usine. Il s’agit d’un
pistolet d’injection dont la pression est limitée à 6 bars. Expérimentalement, on observe
que la pression d’injection sur le matériau est atteinte pratiquement instantanément.
Toute la phase de remplissage est pratiquement réalisée à pression d’injection
constante.
Le matériau utilisé est une résine silicone de faible réactivité, mais compte tenu du
temps d’injection appliquée, cette caractéristique sera évaluée.
Actuellement, les logiciels de simulation de l’injection de polymère travaillent à débit
imposé d’injection. L’allure de l’évolution de la pression permet de suivre les difficultés
de remplissage rencontrées, notamment afin d’éviter l’ouverture du moule.
A priori, toutes les caractéristiques décrites ci-dessus, font que ce cas d’injection de
silicone chargé ne peut pas être modélisé de façon classique. L’objectif de cet article est
de montrer comment ces difficultés sont contournées et montre ainsi la méthode
développée, méthode adaptée à ce type de procédé d’injection.
Methodology
Determination of viscosity
Determination of viscosity
The material injected was characterized at the laboratory materials polymer of the
ENSAM. The apparatus is a rheometer Rheomtric ARES. The mixture of polymers
was placed between a fixed plate and a rotary table separated by 0,5 mm.
Measurements were carried out in dynamic stress with three values of frequency
(1, 10 and 500 rd/s).
Le matériau injecté a été caractérisé au laboratoire matériaux polymère de l’ENSAM.
L’appareil est un rhéomètre Rheomtric ARES.
Le mélange de polymères a été placé entre un plateau fixe et un plateau rotatif
espacé de 0,5 mm. Les mesures ont été réalisées en sollicitation dynamique à trois
valeurs de fréquence (1, 10 et 500 rd/s).
Rheological measurement in dynamics
at a frequency of 1 rd/s.
These preliminary tests made
it possible to choose the value
of the deformation used for
the measurement of viscosity
i.e. 0,2%.
Ces essais préalables ont permis de choisir la
valeur de la déformation utilisée pour la mesure
de la viscosité soit 0,2%.
Measure kinetics by measurement of viscosity
The kinetics is slow. The point of freezing is
reached at the end of 4 h. Viscosity is
multiplied by 3 after 1000 s (fifteen minutes).
Complex Modulus viscosity according to the frequency
The module of complex viscosity was measured according
to the frequency.
By the principale of Cox-Merk one considers that:
Le module de la viscosité complexe a été mesuré en fonction de la
fréquence (Fig 2). Par le principe de Cox-Merk,(1) on considère que :
Viscosity without the effect of the kinetic
Si on considère que la viscosité à 1 rd/s est de 1000
Pa.s, alors la viscosité réelle, déconvoluée de ses
effets de réticulation vaudrait comme indiquée en
rouge.
Variation of viscosity with the gradient of
shearing and of the temperature.
La courbe déconvoluée est ensuite saisie dans la base de données du logiciel de simulation (Moldflow module MPI).
La loi de comportement utilisée est du type Cross-WLF
Moldflow simulation
Le logiciel MOLDFLOW de base (option TD) ne permet pas de
simuler un remplissage avec prise en compte de la cinétique de
réticulation pour un temps d’injection plus grand que 300
secondes. Le temps d’injection expérimental est environ 8 fois
plus grand, soit 2250 secondes. Cette limitation du code de
calcul nous contraint à représenter de façon globale la thermodépendance du modèle de loi comportement matériau identifiée.
Cette hypothèse fut évaluée et validée sur ce cas précis de
silicone chargée.
Moldflow simulation
Modelisation
La géométrie d’écoulement est maillée en 2D (éléments triangles).
Chaque élément triangulaire est divisé en plusieurs couches pour constituer des
géométries élémentaires (coque) dans lesquelles seront résolues les équations
de la mécanique et de la thermique (calcul par différence finie).
30 mm
Midplane model
Initial configuration
Le canal d’injection de la silicone est représenté par un élément poutre (1D). La longueur du canal est égal à 500 mm
et le diamètre à 10 mm.
Injection
500 mm
runner
Part
Initial configuration
les épaisseurs calculées du modèle. On distingue des zones à 3 mm (en rouge ) et des zones de plus
faible épaisseur (1 mm en bleu).
Injection
runner
Part
Process setting
The flow is imposed and the pressure resulting is a pressure loss representative of the
difficulties of filling. This condition is traditional for the injection of polymeric materials. We
will see thereafter that it does not correspond exactly to the real conditions. The pressure
is limited to 10 bars not to damage the silicone.
Le débit est imposé et la pression résultant est une perte de charge
représentative des difficultés de remplissage. Cette condition est classique
pour l’injection des matériaux polymères. Nous verrons par la suite qu’elle
ne correspond pas exactement aux conditions réelles. La pression est
limitée à 10 bars pour ne pas endommager la charge contenue dans la
silicone.
Molding temperature = 25°C
Flow rate fixed
Max pressure = 1 MPa
Filling : Flow front
1
2
3
Filling : Pressure versus time
Max pressure = 1 MPa
Max pressure in the cavity= 0.6 MPa
L’analyse de l’évolution de la pression de remplissage à l’entrée du canal d’injection montre que la variation est très rapide. La
valeur limite de la pression est atteinte après un temps de750 s. A ce même temps, la pression dans l’empreinte est égale à 4
bars (courbe rouge). On peut conclure que la perte de charge dans le tube d’injection représente plus de la moitié de la perte
de charge totale
Filling : End of filing
Short shot
To reduce the pressure drop
Les conditions utilisées pour la seconde simulation seront plus proches de la réalité.
L’objectif est de remplir la pièce avec une pression imposée cette fois à 6 bars (valeur utilisée dans le process réel).
La pression est limitée à 6 bars. Cette valeur est atteinte en réalité au tout début du remplissage. Il s’agit donc de
créer numériquement cette condition en recalant notre modèle. Les paramètres ajustables choisis sont :
1- la viscosité de la silicone
2- la longueur du tube
3- le diamètre du tube
D?
L?
To reduce the pressure drop
Maximum pressure
400 mm
Le recalage du modèle permet de remplir entièrement la géométrie à une valeur de pression égale à 6 bars.
Le recalage est réalisé en optimisant le diamètre et la longieur du canal d’injection.
En noir ( la pression à l’entrée) en rouge ‘(la pression dans l’empreinte)
Runner optimisation
40 mm
Max pressure cavity value = 0.6 MPa
Dimensions du canal d’injection pour recaler la valeur de la perte de charge a celle mesurée à l’atelier.
Filling : cavity pressure
t = 240 s
t = 600 s
t = 900 s
Filling : cavity pressure
t = 900 s
t = 1080 s
t = 1195 s
Filling : End of filling
3
2
2
Good prediction
1
Filling : End of filling
5
5
4
Good prediction
4
Filling : Shear rate
Cartographie du gradient de cisaillement en fin de remplissage. Les variations
locales de l’épaisseur modifient le cisaillement local. Cette information permet
d’apprécier le risque de dégradation de la résine ou des charges présentes.
Filling : Velocity
Vitesse du front matière (cm/s)
L’évolution de la vitesse de l’écoulement est représentée sur cette figure le résultat est donné en trois points
de la pièce. Ce résultat permet d’apprécier l’équilibrage du remplissage. L’objectif est de limiter les
accélérations ou les ralentissements de l’écoulement source de défauts d’injection.
Conclusion and question
Notre étude porte sur la simulation numérique de l’injection d’un matériau silicone. L’attention étant essentiellement
portée sur la phase de remplissage à pression imposée.
La première simulation est réalisée en imposant le débit et en fixant une valeur limite de la pression. Cette valeur
limite est atteinte au cours de l’injection.
La situation réelle est un peu différente. La pression limite, de 6 bars cette fois, est atteinte dès le début du
remplissage. Ce fonctionnement est modélisé par un tube d’injection se terminant par une restriction. Il s’agit d’un
recalage géométrique qui permet de créer une perte de charge de 6 bars à l’entrée d’un outillage d’injection de pièce
silicone.
Dr Jean François LUYE
www.promold.fr