Brevet FR2751573A1 — publié le 19980130

PROCEDE DE FABRICATION D'OBJETS PAR MOULAGE A TEMPERATURE CONTROLEE L'invention concerne les procédés de fabrication d'objets mis en forme dans un moule dont la température de contact avec la matière donnant naissance à l'objet doit être contrôlée pendant le processus de fabrication. De tels procédés sont appliqués à des produits très divers, tels que certains métaux, le verre, les matières thermo-plastiques et thermo-durcissables. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la fabrication des objets en matière thermo-durcissable où la recherche d'un effet de peau conduit à exiger un contrôle précis de la température à l'interface. En général, la température de contact est réglée en chauffant ou en refroidissant chaque élément constitutif du moule par circulation d'un fluide caloporteur à température réglable dans des canaux traversant ces éléments. La température Ti(t) à l'interface moule-matière à un instant t est différente de la température Tf(t) du fluide caloporteur. On peut déterminer des modèles de transfert thermique qui permettent de calculer l'évolution temporelle de Ti(t) à partir de Tf(t) et de caractéristiques thermiques du moule et du produit, donc de calculer un écart moyen entre les deux températures au même instant. A partir de là, on peut agir sur la température Tf(t) afin d'obtenir à chaque instant une température d'interface calculée aussi proche que possible de la température recherchée Ti(t). Cette approche se heurte à une première difficulté, due au mode de commande de la température Tf(t). Classiquement, le caloporteur circule dans une boucle comprenant les canaux et comprenant un réservoir muni d'une part d'une résistance électrique permettant de chauffer le caloporteur et d'autre part d'un apport de fluide froid (ou dans certains cas d'une circulation d'eau froide) permettant de refroidir le caloporteur. te débit dans la boucle est commandé à l'aide d'une pompe et d'une électrovanne à commande progressive. Souvent l'inertie du caloporteur ne permet pas d'arriver à une précision suffisante. La présente invention vise à fournir un procédé de fabrication autorisant une régulation plus précise. Dans ce but, et, suivant un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé permettant de fabriquer des objets par moulage dans un moule dont les éléments délimitent une cavité de moulage et contiennent des canaux de circulation d'un fluide caloporteur de réglage de la température à l'interface entre le moule et la cavité, suivant lequel on fait circuler le fluide caloporteur dans une boucle comprenant les canaux et deux réservoirs, on maintient en permanence le fluide dans l'un des réservoirs à une température au moins égale à la température maximale à faire circuler dans la boucle et dans l'autre le fluide caloporteur à une température au plus égale à la température minimale à faire circuler dans les canaux, on mélange des apports provenant des deux réservoirs dans des proportions variables et commandables pour maintenir une température souhaitée Tf L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus, comprenant un moule dont les éléments constitutifs délimitent une cavité de moulage et contiennent des canaux de circulation d'un fluide caloporteur de réglage de la température d'in.terface, des moyens de pompage permettant de faire circuler un fluide caloporteur dans une boucle comprenant les canaux ; et des moyens de régulation de la température du fluide amené aux canaux, caractérisé en ce que la boucle comporte deux réservoirs munis chacun de moyens de régulation du fluide dans l'un à une température au moins égale à la température maximale à admettre aux canaux et l'autre à une température au plus égale à la température minimale à admettre dans les canaux, des moyens pour effectuer un mélange des apports des deux réservoirs dans des proportions variables et commandables, des moyens pour fractionner le débit revenant des canaux dans des proportions reproduisant sensiblement celles des apports et retourner les fractions aux réservoirs respectifs, et des moyens de régulation pour commander les moyens de mélange suivant une consigne de température déterminée et les moyens de fractionnement suivant la même consigne avec un retard égal au temps de transit du fluide Le procédé et le dispositif qui viennent d'être décrits permettent un réglage de la température du fluide caloporteur dans les canaux avec un retard très faible. De plus, le fractionnement du débit de retour de façon à reproduire les débits d'apports, avec un retard correspondant au temps de parcours de la boucle, permet de réduire les puissances de chauffage et de refroidissement nécessaires. Le mélange et le fractionnement peuvent être assurés par des moyens simples, tels que des vannes à trois voies. Enfin, le fonctionnement en boucle fermée du fluide caloporteur permet d'utiliser un fluide (généralement un liquide) ayant des caractéristiques thermiques ou chimiques favorables, tel que de l'eau déminéralisée. Comme on l'a indiqué plus haut, on sait déterminer des modèles de transfert thermique permettant de calculer l'évolution temporelle de Ti(t) à partir de celle de Tf(t), c'est-à-dire d'effectuer un calcul que l'on peut qualifier de "direct". En principe, cela permettrait de régler la température Tf(t) pour suivre des variations de consigne de la température Ti(t). En fait, cette approche ne permet pas de commander de façon précise Ti(t) lorsque la conductivité thermique du moule est faible. Or ce cas est fréquent, car on utilise de plus en plus, pour réduire le coût et le temps nécessaire à la mise en fabrication, des moules en résine renforcée revêtue d'une couche métallique de contact avec le produit à mouler. La résine renforcée par des fibres a une conductivité thermique très inférieure à celle des métaux. Suivant un autre aspect de l'invention, avantageusement utilisable en liaison avec le premier mais pouvant l'être indépendamment, la régulation de température Ti(t) s'effectue par une approche qu'on peut qualifier d'inverse, permettant d'arriver à une précision très supérieure. Dans ce but, il est proposé de déterminer la température à donner au fluide à l'entrée dans les canaux par une évaluation "inverse" à partir de la température d'interface, après avoir préalablement modélisé la réponse thermique du moule, par une analyse par éléments finis ou par des mesures. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif - la figure 2 est un schéma montrant les paramètres qui interviennent dans la régulation. Le dispositif dont la constitution de principe est montrée en figure 1 est destiné à la fabrication d'objets dans un moule comportant deux éléments 10 et 12, mobiles l'un par rapport à l'autre, de façon à permettre d'ouvrir le moule, de le charger en matière thermodurcissable, de le fermer et de retirer l'objet fabriqué. Chacun des éléments contient des canaux de refroidissement 14 que l'on supposera pour simplifier constituer un seul circuit, bien qu'ils puissent être alimentés en parallèle. Le fluide caloporteur qui traverse les canaux arrive à une température Tf. On supposera, pour simplifier, que le débit est suffisant pour que la différence de température entre l'entrée et la sortie du moule soit faible. Le fluide caloporteur sortant des canaux revient à un thermorégulateur 15 qui alimente les canaux à la témpérature Tf, constituant ainsi une boucle fermée. Le thermorégulateur 15 comporte deux réservoirs 16 et 18 constituant l'un une source froide, l'autre une source chaude. La température ef dans le réservoir 16 est maintenue à une valeur constante, au plus égale à la valeur minimale à donner à Tf, par exemple au moyen d'un serpentin 20 de circulation d'eau froide où le débit est commandé par une régulation classique, non représentée. La température oc du fluide dans le réservoir 18 est maintenue, par exemple par une résistance chauffante, à une valeur au moins égale à la valeur maximale à donner à Tf. Des moyens, tels qu'une vanne d'entrée à trois voies 22, permettent de mélanger les fluides extraits des réservoirs 16 et 18 par une pompe de circulation 24, dans des proportions variables. Au lieu d'utiliser une vanne d'entrée à trois voies 22, on peut utiliser deux pompes doseuses au lieu d'une seule pompe de circulation 24. D'autres moyens, tels qu'une vanne de retour à trois voies 26, permet de distribuer le débit qui revient des canaux entre les réservoirs. Un régulateur 28, généralement de type proportionnelintégrale-dérivé (régulateur PID), commande les vannes 22 et 26 de façon que le fluide admis aux canaux soit à la température Tf nécessaire. Une sonde 30 fournit un signal, représentatif de la température Ti(t) à l'interface, au régulateur qui compare cette température à une valeur de consigne qui peut être variable dans le temps et il commande en conséquence la vanne d'entrée 22. I1 commande également la vanne de retour 26 de façon à restituer aux réservoirs 16 et 18 les débits prélevés par la vanne 22, mais avec un retard s égal au temps de transit dans la boucle. L'imperfection du réglage peut être compensée en prévoyant une communication 32 de faible section entre les deux réservoirs. Le régulateur 28 peut être de constitution générale classique. Dans ce cas, il comporte une mémoire contenant les caractéristiques thermiques de l'ensemble formé par le moule et le produit qu'il contient et la loi de variation de Ti à respecter. Il estime l'écart moyen entre la température d'interface mesurée et la température de consigne et il déduit la température d'entrée Tf(t) de la mesure de Ti et de l'écart évalué. Il règle le rapport entre les débits provenant des réservoirs pour obtenir la température Tf Suivant l'autre aspect de l'invention, le régulateur 28 utilise une approche différente de l'approche classique cette nouvelle approche utilise un calcul qu'on peut qualifier d'inverse, permettant de remonter à la température Tf requise à partir de la connaissance de la température de consigne à l'interface. Cette approche sera maintenant décrite. La démarche est la suivante Le flux thermique d'interface i est calculé à partir de la température de consigne à l'interface par simula tion des transferts de chaleur dans la pièce, par exemple par une méthode classique de différences finies. Du flux i on déduit la contribution ATl(t) du flux i(t) à la température d'interface. On peut faire ce calcul en supposant le comportement du moule linéaire, et en appliquant l'intégrale de convolution faisant appel à la réponse caractéristique de la surface du moule à un échelon unitaire prédéterminé de flux thermi que sur cette même surface. Enfin on utilise la constatation que la contribution AT2(t) de la température Tf(t) du fluide caloporteur qui circule dans les canaux 14 à la température d'interface Ti(t) doit respecter la condition AT2(t) = [Ti(t) - ATl(t) - Tg] Dans cette formule Tg(t) est la température initiale de l'interface, c'est-àdire de la surface de l'élément délimitant la cavité de moulage, alors que le flux du caloporteur est à la température Tfo et que le moule est ouvert et en régime permanent. ATl(t) est la contribution à la température d'interface Ti(t) due au flux fi(t) qui doit traverser l'interface lorsque ce dernier est à la température Ti(t) et qui dépend de la cinétique de transformation de la matière. Pour remonter à la température Tf(t) requise à chaque instant pour le fluide caloporteur, l'approche proposée utilise un modèle représentatif de la réponse thermique caractéristique du moule à un échelon de température appliqué au fluide caloporteur. Les calculs mis en oeuvre pour arriver à ce résultat seront exposés dans le cas d'un exemple simple, constitué par le moulage d'une pièce relativement mince et d'épaisseur sensiblement constante, dans un moule où l'écoulement thermique peut être considéré comme bidimensionnel ; la généralisation implique simplement une complexité accrue des calculs. Dans le cas montré en figure 2, l'élément 10 du moule est assimilé à un bloc à section rectangulaire dont les coefficients de transfert thermique avec l'extérieur sont - hp sur les faces latérales de hauteur L, en contact avec l'atmosphère qui est à température Ta (c'est-à-dire pour y=0 et y=w), - ho sur la surface de moulage du moule, lorsque ce dernier est ouvert, pour x=0, - hi sur la surface externe, pour x=L, - hc est le coefficient de transfert à l'intérieur des canaux 14. Les transferts thermiques peuvent alors être représentés par l'équation aux dérivées partielles #T(t) - 1/a #T/#t = 0 (1) Dans cette formule #T est la variation de la température à l'interface, a est un coefficient constant. Les conditions aux limites peuvent être représentées par les équations (2) ci-dessous, avec les notations indiquées sur la figure 2 et énumérées plus haut. y=0 -# #T/@ =hp(Ta-T) ay y=w -# #T/#y =hp(T-Ta) x=o -# #T/@=#i(t) ax (2) x=L -# #T/#x=hL(T-Ta) (x,y) -# #T/@=hc[Tf(t)-T] = - #c(t) 8r enfin la condition initiale est pour t=0 T(x,y,0) = To(x,y) Un modèle "direct" permettant de calculer la température d'interface Ti(t) à partir de To, ATl(t) et AT2(t) est fondé sur le principe de superposition et peut s'écrire Ti(t) = T0 + ATl(t) + AT2(t) (3) Les contributions ATl(t) et AT2(t) peuvent être exprimées sous forme d'intégrales de convolution de Duhamel Pour fournir au régulateur une valeur précise de la température Tf(t), il est nécessaire de connaître les fonctions Rl(t) et R2 (t). Ces fonctions peuvent être déterminées par plusieurs méthodes. La fonction Rl(t) correspond à l'évolution de la température d'interface en réponse à un échelon unitaire de densité de flux de chaleur reçue par cette interface, les températures initiale, ambiante et du fluide étant nulles. La fonction R2 (t) correspond à l'évolution de la température d'interface en réponse à un échelon unitaire de densité de flux, remplaçant la densité de flux h c (Tf - Tf0), les températures initiale et ambiante étant nulles, et la surface de moulage étant isolée. Les fonctions T0, Rl(t) et R2(t) vérifient les systèmes d'équations suivants #T0=0 #T0 y=0 -# =hp(Ta-T0) #y #T0 y=w -# =hp(T0-Ta) #y #T0 x=0 -# =h0(Ta-T0) #x #T0 x=L -# =hL(T0-Ta) #x #T0 (x,y)#Tc -# =hc(Tf0-T0) #r #R1 #R1- 1/a =0 #T #R1 y=0 -# =-hpR1 #y #R1 y=w -# =hpR1 #y #R1 x=0 -# =1 #x #R1 x=L -# =hLR1 #x #R1 (x,y)#Tc -# =hcR1=0 #r t=0 R1(x,y,t=0)=0 #R2 #R2- 1/a =0 #T #R2 y=0 -# =-hpR2 #y #R2 y=w -# =hpR2 #y #R2 x=0 -# =0 #x #R2 x=L -# =hLR2 #x #R1 (x,y)#@c -# =hcR2=1 #r t=0 R2(x,y,t=0)=0 Ces réponses caractéristiques peuvent être calculées par un modèle numérique utilisant par exemple une approche par éléments finis. Elles peuvent également être mesurées. Pour mesurer R1, on peut utiliser le moule à la température ambiante et faire circuler dans ses canaux du fluide à la température ambiante. On ferme le moule sur un tapis électrique chauffant que l'on alimente par un courant qui dissipe brutalement une densité de flux de chaleur constante. L'échauffement mesuré sur la surface de moulage, divisé par la densité de flux de chaleur reçue, est représentatif de la fonction R1. Pour mesurer R2(t), on laisse le moule se mettre en équilibre avec la température ambiante et on isole la surface de moulage (par exemple à l'aide d'une couche de laine de verre). On augmente brutalement la température du fluide d'un échelon déterminé, par exemple de 10C. La courbe représentative de l'échauffement mesuré à l'interface, c'est-à-dire sur la surface de moulage, et divisé par hc correspond à la fonction R2(t). R1 et R2 étant alors connues, la température Tf requise pour le fluide peut être déterminée à partir de la température d'interface Ti de consigne, en utilisant l'équation (1) qui donne la contribution AT2(t) de la température Tf(t) à la température d'interface ; cette équation peut également s écrire, en vue d'un calcul "inverse" AT2(t) = T. (t) - (t) - ATl(t) (1 bis) où AT2(t) et ATl(t) sont données par les formules (4) et (5). Le calcul de Tf(t) revient à un problème de déconvolution. Il existe déjà des programmes paramétrables permettant de résoudre ce problème en temps réel sur un calculateur d'usage général. En conséquence, seul un des modes possibles sera indiqué. Il s'agit de la méthode du gradient conjugué. On cherche Tf(t) tel que l'écart quadratique J entre le premier membre de l'équation (1 bis) et le second soit minimal. On procède par itérations jusqu'à convergence du calcul vers une fonction Tf(t) stable. La relation entre deux estimations successives (k-l) et k est Tfk (t) =Tf ku s (t) +pkdk (t) (6) La "direction de descente" dk(t) vaut: d1(t) etpour etpourk > J: dk 17k (t) (t) + ( ) d k -]kJq) Fnk -I \2 le gradient VJk étant e(t) est l'écart instantané entre le premier et le second membre de l'équation (1 bis), tf est le temps final. La "profondeur de descente" optimale pk(t) vaut: pk H est l'opérateur de convolution par hCR2(t) après discrétisation temporelle. La détermination de la fonction Tf(t) peut être effectuée en imposant des contraintes, par exemple une valeur maximum et une valeur minimum de Tf ; on peut également limiter la vitesse de variation de la température pour atténuer des- instabilités éventuelles. La régulation ne peut fonctionner sur tout un cycle de fabrication que si le dispositif dispose des puissances de réfrigération et de chauffage maximales requises. Lors de la conception d'un nouveau dispositif ou mise en oeuvre d'un procédé, une vérification ou un dimensionnement est effectué. Cela exige de déterminer la puissance de chauffage et la puissance de réfrigération maximames requises au cours d'un cycle. La puissance de chauffage instantanée Pc(t) nécessaire à un instant t est PC(t) = mc.Cp.[0c - TS(t)] où mC est le débit de fluide chaud et C p la chaleur spécifique du fluide. On peut généralement admettre que le débit est suffisant pour que la température de sortie TS soit sensiblement égale à la température d'entrée TE et égale à la température Tf(t). Dans le cas du dispositif montré en figure 1, la température TE résulte du mélange des débits en amont mC et mf. La puissance de chauffage instantanée P c PC(t) peut s'écrire Pc(t) = mc.mFCp(#c - #f) - S. mc . #c m m où c est le flux thermique total, S est la surface totale des canaux. Une première solution consiste à prévoir dans le dispositif des moyens permettant à tout instant de fournir la puissance Pc (t). Une seconde solution, qui requiert une puissance installée moindre, consiste à choisir la moyenne de la puissance nécessaire sur la totalité de la période de fonctionnement, et à utiliser un réservoir de fluide chaud de volume suffisant pour constituer un tampon compensant les déséquilibres entre puissance instantanée nécessaire et puissance réellement disponible à partir des moyens de chauffage du réservoir. La démarche -est analogue pour le calcul de la puissance de refroidissement. Le groupe frigorifique peut être également dimensionné selon l'une ou l'autre des deux méthodes de chauffage. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier - les vannes trois voies peuvent fonctionner en tout ou rien. - chacune des deux vannes 22 et 26 peut être remplacée par deux vannes simples tout ou rien (une pour le circuit froid, une pour le circuit chaud). Les puissances nécessaires se réduisent à l'expression (7) sans le premier terme, c'est-à-dire, pour le chauffage PC(t) = et, pour le refroidissement PF(t) = Il n'est pas nécessaire de décrire ici la mise en oeuvre du thermorégulateur pour commander les vannes et, à partir du moment où sont déterminées la loi de température Tf(t) et la puissance thermique, cette commande peut être classique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'objets dans un moule dont les éléments délimitent une cavité de moulage et contiennent des canaux (14) de circulation d'un fluide caloporteur de réglage de la température à l'interface entre le moule et la cavité, caractérisé en ce que : on fait circuler le fluide caloporteur dans une boucle comprenant les canaux et deux réservoirs (18,20) en parallèle, on maintient en permanence le fluide dans l'un des réservoirs à une température au moins égale à la température maximale à faire circuler dans la boucle et dans l'autre le fluide caloporteur à une température au plus égale à la température minimale à faire circuler dans les canaux, on mélange des apports provenant des deux réservoirs dans des proportions variables et commandables pour maintenir une température souhaitée Tf(t) dans le.s canaux, on fractionne le débit revenant des canaux dans des proportions reproduisant sensiblement celles des apports et on retourne les fractions aux réservoirs respectifs. 2. Procédé de fabrication d'objets suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température du fluide à l'entrée des canaux est régulée à une valeur Tf(t) déterminée par une évaluation inverse à partir de la température d'interface et d'une modélisation de la réponse thermique du moule, obtenue par analyse par éléments finis ou par des mesures préalables. 3. Procédé selon la revendication 2, comprenant la loi de variation de la température d'interface de consigne Ti(t), on détermine le flux thermique (cri) à fournir à l'interface par simulation des transferts de chaleur, on déduit, du flux thermique, la contribution (AT1(t)) dudit flux à la température d'interface, en appliquant une intégrale de convolution faisant appel à la réponse caractéristique de la surface du moule à un échelon unitaire prédéterminé de flux thermique, à l'interface, à la température (Ti(t)) de consigne, on détermine la contribution (A2t)) que doit apporter le fluide caloporteur à la température d'interface ÂT2(t) = [Ti(t) - (t) - O] et on déduit la température (Tf(t)) à donner au fluide caloporteur de la contribution (AT2(t)) en utilisant un modèle représentatif de la réponse thermique caractéristique du moule à un échelon de température appliqué au fluide caloporteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on détermine la contribution (AT1(t)) par calcul d'une intégrale de convolution de Duhamel où R1 désigne la fonction représentative de l'évolution de la température d'interface en réponse à un échelon unitaire de densité de flux de chaleur reçue par cette interface, les températures initiale, ambiante et du fluide étant nulles. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on mesure R1(t) en utilisant le moule à la température ambiante, en faisant circuler dans les canaux du fluide à la température ambiante, en fermant le moule sur un tapis électrique chauffant que l'on alimente par un courant qui dissipe brutalement une densité de flux de chaleur constante, et en mesurant l'échauffement mesuré sur la surface de moulage, qui, divisé par la densité de flux de chaleur reçue, est représentatif de la fonction R1. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'on détermine la contribution AT2(t) par calcul d'une intégrale de convolution de Duhamel où R2 (t) représente l'évolution de la température d'interface en réponse à un échelon unitaire de densité de flux, les températures initiale et ambiante étant nulles, et la surface de moulage étant isolée. 7. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on mesure R2(t) en laissant le moule se mettre en équilibre avec la température ambiante, en isolant thermiquement la surface de moulage, en augmentant brutalement la température du fluide d'un échelon unitaire et en mesurant l'échauffement à l'interface qui, divisé par le coefficient de transfert h c correspond à R2 (t). 8. Procédé selon lune quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'on détermine la valeur de consigne de Tf(t) à tout instant en recherchant la valeur de Tf(t) telle que l'écart quadratique J entre les deux membres de l'équation AT2(t) = Ti (t) - To(t) - AT1(t) soit minimal, en procédant par itérations. 9. Dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, comprenant un moule dont les éléments constitutifs (10,12) délimitent une cavité de moulage et contiennent des canaux (14) de circulation d'un fluide caloporteur de réglage de la température d'interface ; des moyens de pompage permettant de faire circuler un fluide caloporteur dans une boucle comprenant des canaux ; et des moyens de régulation de la température du fluide amené aux canaux, caractérisé en ce que la boucle comporte deux réservoirs (18,20) munis chacun de moyens de régulation du fluide dans l'un à une température au moins égale à la température maximale à admettre aux canaux et l'autre à une température au plus égale à la température minimale à admettre dans les canaux, des moyens (22) pour effectuer un mélange des apports des deux réservoirs dans des proportions variables et commandables, des moyens (26) pour fractionner le débit revenant des canaux dans des proportions reproduisant sensiblement celles des apports et retourner les fractions aux réservoirs respectifs, et des moyens de régulation (28) pour commander les moyens de mélange suivant une consigne de température déterminée et les moyens de fractionnement suivant la même consigne avec un retard égal au temps de transit du fluide. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les puissances disponibles de chauffage et de réfrigération du fluide dans les réservoirs sont au moins égales aux puissances moyennes de chauffage et de réfrigération nécessaires sur l'ensemble d'un cycle et en ce que chacun des dits réservoirs a une capacité suffisante pour compenser à tout instant les déséquilibres entre puissance thermique requise dans les canaux et puissance thermique instantanée disponible.