Génération de contraintes internes
Dans les produits moulés, l’état de contrainte local varie et la déformation dépend de la répartition des contraintes résiduelles. Si le refroidissement crée un gradient thermique, ces contraintes se développent ; on les appelle donc contraintes de moulage dans le moule d’injection.
Les pièces moulées par injection présentent deux types de contraintes internes : les contraintes de moulage et les contraintes thermiques résiduelles. Lorsque la matière fondue pénètre dans un moule froid, celle qui touche la paroi refroidit et se solidifie rapidement, figeant les segments des chaînes moléculaires.
En raison de la faible conductivité des contraintes thermiques résiduelles de la couche de polymère solidifiée, un important gradient de température est généré dans le sens de l’épaisseur du produit.
Le cœur du produit se solidifie assez lentement ; ainsi, lorsque le seuil se ferme, la matière fondue au centre du produit ne s’est pas encore solidifiée et la presse à injecter ne peut plus compenser le retrait de refroidissement à ce stade.
Ainsi, le rétrécissement interne du produit se fait dans le sens inverse de l’action de la couche de peau dure ; le noyau est en tension statique tandis que la couche de surface est en compression statique.
Dans le flux de remplissage de la matière fondue, en plus de l’effet de rétrécissement du volume causé par la contrainte. Il existe également des contraintes causées par l’effet d’expansion de la glissière et de la sortie de la vanne ; le premier effet provoque des contraintes liées à la direction de l’écoulement de la matière fondue, et le second provoquera des contraintes dans la direction perpendiculaire à l’écoulement en raison de l’effet d’expansion de la sortie.
Les facteurs du processus affectant le stress
Dans des conditions de refroidissement rapide, l’orientation entraîne la formation de contraintes dans le polymère. En raison de la viscosité élevée du polymère fondu, la contrainte interne ne peut pas être relâchée rapidement, ce qui affecte les propriétés physiques et la stabilité dimensionnelle du produit.
Influence de chaque paramètre sur la contrainte d’orientation
(1) Température de fusion : une température de fusion élevée, une faible viscosité et une contrainte de cisaillement réduisent l’orientation ; d’autre part, la température de fusion élevée accélère la relaxation de la contrainte, ce qui renforce la capacité de désorientation.
(2) Si la pression de la machine de moulage par injection reste inchangée, la pression dans la cavité du moule augmente et le fort effet de cisaillement entraîne une augmentation de la contrainte d’orientation.
(3) L’allongement du temps de maintien avant la fermeture de la buse entraîne une augmentation de la contrainte d’orientation.
(4) L’augmentation de la pression d’injection ou de la pression de maintien augmente la contrainte d’orientation.
(5) Une température élevée du moule peut garantir un refroidissement lent du produit et joue un rôle dans la désorientation.
(6) Augmenter l’épaisseur du produit pour réduire la contrainte d’orientation, car les produits à parois épaisses refroidissent lentement, la viscosité augmente et le processus de relaxation de la contrainte dure longtemps, de sorte que la contrainte d’orientation est faible.
Effet sur le stress thermique
(1) Comme indiqué précédemment, en raison du fort gradient de température entre la matière fondue et la paroi lors du remplissage du moule d’injection, la couche externe de matière, qui se solidifie en premier, doit contribuer à limiter le retrait de la mince couche interne, qui se solidifie plus tard. Il en résulte une contrainte de compression (contrainte de retrait) dans la couche externe et une contrainte de traction (contrainte d’orientation) dans la couche interne.
(2) Si le moule est rempli et que l’action de la pression de maintien se prolonge, de la matière polymère fondue est ajoutée dans l’empreinte, ce qui augmente la pression de moulage par injection dans celle-ci ; cette pression modifie les contraintes internes en raison de l’irrégularité de la température.
Toutefois, dans le cas d’un temps de maintien court et d’une faible pression dans la cavité, le produit conservera son état de contrainte d’origine lors du refroidissement.
(3) Si la pression dans l’empreinte est insuffisante au début du refroidissement, la couche externe forme un creux sous l’effet du retrait. Si la pression du moule d’injection devient insuffisante plus tard, après formation d’une couche froide et dure, la couche interne se sépare ou forme des cavités.
(4) Si la pression de la cavité est maintenue avant la fermeture de la porte, cela permet d’améliorer la densité du produit et d’éliminer les contraintes liées à la température de refroidissement, mais une importante concentration de contraintes sera générée à proximité de la porte.
(5) Ainsi, il semble que plus la pression dans le moule est importante, plus le temps de maintien est long, ce qui contribue à réduire la contrainte de retrait générée par la température et inversement augmentera la contrainte de compression.
La relation entre le stress interne et la qualité des produits
(1) L’existence de contraintes internes dans le produit affectera sérieusement les propriétés mécaniques et les performances du produit ; en raison de l’existence et de la répartition inégale des contraintes internes, des fissures apparaîtront au cours du processus d’utilisation du produit.
Lorsque la température de transition vitreuse est inférieure à la température d’utilisation, il se produit souvent une déformation irrégulière ou un gauchissement, mais la surface du produit devient également “blanche”, trouble et les propriétés optiques se détériorent.
(2) Essayer de réduire la température à la porte et augmenter le temps de refroidissement lent, ce qui permet d’améliorer l’irrégularité de la contrainte résiduelle du produit, de sorte que les propriétés mécaniques du produit sont uniformes.
(3) Qu’il s’agisse de polymères cristallins ou non cristallins, la résistance à la traction présente des caractéristiques anisotropes.
Pour les polymères amorphes, la résistance à la traction varie selon le seuil : lorsqu’il suit le sens de remplissage, elle diminue avec la température de fusion ; lorsqu’il est perpendiculaire au sens de remplissage du moule d’injection, elle augmente avec cette température.
(4) L’augmentation de la température de fusion entraîne le renforcement de l’effet de réorientation, tandis que l’affaiblissement de l’effet d’orientation diminue la résistance à la traction.
L’orientation de la porte affecte l’orientation en influençant la direction de l’écoulement du matériau, et comme l’anisotropie des polymères non cristallins est plus forte que celle des polymères cristallins, la résistance à la traction dans la direction perpendiculaire à la direction de l’écoulement est plus grande pour les premiers que pour les seconds.
Le moulage par injection à basse température produit une anisotropie mécanique supérieure à l’injection haute température : le rapport de résistance perpendiculaire au sens d’écoulement vaut par exemple 1.7 à haute température et 2 à basse température.
(5) Il apparaît donc qu’une augmentation de la température de fusion entraîne une diminution de la résistance à la traction pour les polymères cristallins et non cristallins, mais le mécanisme est différent ; le premier est dû à l’effet de la réduction par l’orientation.
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