Brevet FR3088846A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Procédé de couplage multiphysique pour la simulation de l'injection des matières thermoplastiques [0001] Le domaine technique de l'invention est celui du moulage par injection des matières thermoplastiques. Plus particulièrement, le domaine de l'invention est celui de la simulation numérique du moulage par injection des matières plastiques renforcées par des fibres courtes (moins de lmm) ou longues (quelques mmm) [0002] Le rôle de ces fibres est (l'augmenter la rigidité de l'objet moulé pour des ap- plications automobiles ou aéronautiques. [0003] Lesdites fibres sont souvent mélangées avec la matrice thermoplastique avant le procédé de moulage. Le taux de fibres peut varier entre 10 et 50 % et leur distribution dans la matrice est plutôt homogène. [0004] C'est au moment de l'opération de moulage que la répartition des fibres de renfort devient hétérogène dans l'épaisseur de l'objet moulé et hétérogène entre le début et la fin du remplissage de l'empreinte. [0005] Une observation au microscope, d'une coupe dans l'épaisseur de la pièce injectée, montre plus de fibres vers la peau de ladite pièce et moins de fibres à coeur. Cette hétérogénéité, si elle n'est pas prise en compte dans la simulation numérique, fausse le calcul de la viscosité du couple matrice plus fibres et les résultats qui en découlent : allure de l'écoulement, la pression de remplissage, la déformation de la pièce et l'orientation des fibres. [0006] La présente invention permet de remédier à cet inconvénient. Elle comporte, en effet, un procédé de prise en compte de la variation de la concentration des fibres de renfort dans la simulation de l'écoulement. L'objectif est d'augmenter la pertinence des résultats de simulation de l'injection. La simulation de la tenue mécanique des pièces moulées bénéficie aussi de cette invention puisqu'elle utilise, en données d'entrées, l'orientation et la concentration desdites fibres. [0007] Arrière-plan technologique de l'invention Dans les logiciels de simulation de l'injection des matières thermoplastiques, l'évolution des fibres de renfort est calculée par des méthodes numériques totalement indépendantes, et les informations locales des fibres ne sont pas transmises au solveur pour la partie écoulement. Il n'existe pas de couplage entre le comportement des fibres de renfort et le comportement rhéologique de la matrice. [0008] La prise en compte de la microstructure des fibres de renfort est pourtant primordiale dans la simulation de l'injection. Leur orientation (a) et leur concentration (c.L)) non uniforme dans l'empreinte du moule, impliquent une forte anisotropie et hétérogénéité 2 des propriétés rhéologiques et mécaniques effectives de la matière injectée. [0009] Dans la littérature, plusieurs modèles théoriques micromécaniques ont été proposés. La viscosité (V) est modélisée par un tenseur d'ordre 4 dépendant des propriétés microscopiques des fibres. Ce faisant, l'écoulement de la matière fondue et l'évolution spatio-temporelle des fibres de renfort sont couplés d'un point de vue de modélisation. [0010] Description générale de l'invention Une des principales difficultés réside dans la nature tensorielle de la viscosité (V) de la matière plastique fondue qui s'écoule et qui empêche une implémentation aisée dans les logiciels de simulation numérique dudit couplage. [0011] La présente invention divulgue un procédé de réduction du tenseur-viscosité d'ordre 4 caractérisant les états microstructuraux des fibres en un scalaire dépendant du mode d'écoulement local, dans la perspective de son implémentation facilitée dans un système informatique de simulation de l'injection plastique. La Fig. 1 illustre cette réduction du tenseur-viscosité. [0012] Le procédé consiste à minimiser l'écart entre le résultat VD du tenseur-viscosité d'ordre 4 appliqué au mode de déformation D et la multiplication vD d'un scalaire avec D comme suit : [0013] [Math.1] - 'VDI 2 = min IIvD - VD 12 [0014] Le scalaire minimisant l'écart est noté et appelé la viscosité scalaire optimale Ce processus d'optimisation garantit la nature optimale de ce scalaire approchant la viscosité-tenseur d'ordre 4, étant donné l'écoulement local D. Ce scalaire pourra être implémenté clans quelconque logiciel de simulation de l'injection plastique. [0015] La mise en oeuvre dudit procédé de minimisation fait l'objet d'un nouveau dispositif algorithmique que l'on pourra implémenter sur un ordinateur à usage général via des instructions d'un ou plusieurs programmes. [0016] Description détaillée du procédé. 1) Estimer si la norme du mode de déformation D est très proche de zéro ; si oui, retourner directement la valeur de viscosité de la matrice. 2) Calculer manuellement, ou via un programme informatique dédié, le tenseur de viscosité d'ordre 4 associé à un état d'orientation des fibres (a) et à un mode de déformation D. Divers modèles de fermeture, pour le calcul du tenseur d'orientation d'ordre 4, pourront être utilisés. Dans la présente invention, on préconise l'utilisation du modèle orthotrope implémenté dans le logiciel de simulation Autodesk Moldtlow Insight. 3) Calculer le produit scalaire entre VD et D. 4) Diviser la valeur issue du produit scalaire par D D. 3 [0017] En suivant ces quatre étapes pour chaque possible couple (a, D), les propriétés rhéo- logiques de la matière fondue durant l'injection deviennent ainsi dépendantes de l'état d'évolution des fibres. [0018] La présente invention divulgue aussi un système informatique de simulation de l'injection plastique dans lequel les calculs spatio-temporels de l'orientation et la concentration des fibres sont couplés via la précédente viscosité scalaire optimale via ledit dispositif suivant Fig. 2. Ces calculs eux-mêmes sont réalisés via des méthodes physiques et numériques avancées et ne font pas l'objet de revendications. A chaque pas de temps, les opérations suivantes seront effectuées : 1) Avancer le front d'écoulement via la vitesse du pas dc calcul précédent. 2) Résoudre les équations couplées vitesse-température en utilisant ladite viscosité scalaire optimale basée sur l'orientation et la concentration des fibres calculées au pas de calcul précédent. 3) Résoudre l'actuelle orientation des fibres en utilisant la vitesse actuelle. 4) Résoudre l'actuelle concentration des fibres en utilisant la vitesse actuelle. [0019] La prise en compte d'une concentration de fibres non uniforme dans l'espace dans cette viscosité scalaire optimale permet une meilleure caractérisation des propriétés rhéologiques de la matière plastique injectée. Ceci induit automatiquement un couplage indirect entre différents phénomènes physiques (orientation et concentration) des fibres dc renfort. [0020] La prédiction de l'évolution microstructurelle desdites fibres dans la pièce injectée pourra être améliorée via ce couplage multiphysique. [0021] Les dessins annexés illustrent l'invention [0022] [fig.1] procédé de réduction du tenseur-viscosité d'ordre 4. [0023] [fig.2] couplage entre l'orientation des fibres et leur concentration via la viscosié scalaire optimale. [Revendication 1]