e-letter "Simulation des systèmes à canaux chauds dans 3D-SIGMA"

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*e-letter "Simulation des systèmes à canaux chauds dans 3D-SIGMA"*	N°2007 03

LA SIMULATION DU FLUX DE CHALEUR EN TROIS DIMENSIONS.

3D-SIGMA est un solveur de simulation des polymères basé sur les lois de Navier-Stokes complètes, ceci signifie que le solveur de remplissage est réellement en trois dimensions. Le programme est capable de déterminer si le flux de matière se déplaçant perpendiculairement à la direction principale est réel, par exemple pour détecter les "tiger-stripes". Cependant la simulation du flux de chaleur en trois dimensions est également importante. Et c'est la simulation du flux de chaleur dans le moule couplé avec le flux de matière qui fournit des avantages au calcul 3D.

RESISTANCES CHAUFFANTES.

Les busettes et les barres chauffantes des canaux chauds sont chauffés électriquement par des résistances qui sont enroulés autour des différents composants. Pour les busettes il s'agit souvent d'une bobine à double spirale avec un pas non uniforme. La fonction canaux chauds de 3D-SIGMA peut importer la géométrie exacte des canaux chauds au moyen d'une interface STL ou ACIS. Ensuite les propriétés physiques des résistances sont entrés : la chaleur spécifique, la conductivité thermique, ces données pouvant être tabulées en température. Ensuite, les coefficients de transfert de chaleur sont spécifiés pour les résistances, ainsi que les composants avec lesquels elles sont en contact. Typiquement, les résistances ont une section de contact rectangulaire, ce faisant, trois côtés sont en contact avec la busette, et le dernier est en contact avec l'air ou en contact direct avec un composant métallique.

DES RESISTANCES PILOTEES ELECTRIQUEMENT.

3D-SIGMA est le premier logiciel incorporant des fonctions permettant d'appliquer une puissance électrique (Watts) à l'extrémité des résistances. Le logiciel va simuler la distribution de température dans chaque résistance et simuler le flux de chaleur entre la résistance et la busette. Pendant que le polymère sera en pause ou en mouvement selon la phase du cycle considéré.

CAPTEURS.

Des capteurs de type thermocouples situés dans les canaux chauds contrôlent la puissance électrique fournie aux résistances. 3D-SIGMA a des thermocouples qui peuvent être positionnés avec précision comme dans le système réel, et ces thermocouples vont écrire en sortie des courbes de température en ces points spécifiques et ce tout au long du cycle d'injection. Des températures limites de déclenchement haute et basse peuvent être entrées dans le logiciel. Ces consignes de déclenchement peuvent être liées directement, comme un signal marche/arrêt, à la puissance électrique délivrée aux résistances.
Une percée importante est l'approche des systèmes transitoires, souligne le professeur Hansen Directeur Technologique de la société MAGMA, société mère de Sigma. Transitoire signifie que 3D-SIGMA simule pas de temps par pas de temps le changement de position du polymère en fusion qui voyage dans les canaux chauds assujetti aux flux de chaleurs dépendant du temps. Le "full system approach" consiste à prendre en compte le système complet, nous ne faisons aucune approximation ou simplification. Nous commençons par l'énergie électrique appliquée aux résistances, le système détermine la température transitoire dans la résistance, puis le flux de chaleur en fonction du temps depuis la résistance jusqu'à la busette, puis au polymère. L'avantage est que le système complet peut maintenant être simulé par une méthode couplée, ce qui améliore grandement la précision et la fiabilité de la simulation. Les systèmes à canaux chauds avec une performance thermique spécifique peuvent maintenant être simulés en liaison avec un capteur et une position spécifique du thermocouple.

POINTE DE BLOC CHAUD.

Pour les blocs non obturés, les performances thermiques de l'extrémité de la busette doivent assurer que durant l'injection et durant le compactage le seuil reste ouvert.
Par la suite, après un compactage suffisant, le seuil doit être gelé. Cela implique que l'extrémité de la busette est souvent dans un matériau à haute conductivité avec une faible chaleur spécifique, assurant ainsi que le seuil peut rapidement répondre thermiquement au changement requis durant les cycles d'injection.
La pointe de la busette reçoit un flux de chaleur directement du corps de la busette; elle reçoit également un flux de chaleur du polymère circulant dans le canal. Souvent, le polymère générera une chaleur de cisaillement en circulant dans la pointe. Et la pointe radiera cette chaleur dans le moule et dans les éléments environnants. Il s'agit ici d'un flux de chaleur "super complexe" explique le Dr Moog (Development Project Leader chez SIGMA). Ce flux de chaleur transitoire super complexe est maintenant disponible pour les utilisateurs de 3D-SIGMA. Nous avons des fonctionnalités dans le logiciel pour déterminer les flux de chaleur réels, très ressemblant au diagramme de Moss. Et avec cela, nous espérons une meilleure compréhension des performances thermiques et pouvoir optimiser le système à bloc chaud complet.

SIMULATION MULTI CYCLE DU BLOC CHAUD.

M. Mansfeld, Expert d’application chez SIGMA Engineering valide le fonctionnement du module Hot-Runner. Nous avons déjà de nombreuses fonctionnalités avancées qui ne sont pas encore intégrées au module. Nous avons depuis le début du développement, en 1998, un système de thermocouple logiciel appelé "points de contrôle ". Et dès le début nous avons incorporé les géométries réelles du moule afin de capturer ce débit calorifique tridimensionnel trompeur. Et nous avons depuis le début du logiciel la fonctionnalité multi cycle. Maintenant, nous sommes en mesure de simuler vraiment la chauffe d'un système thermo régulé, de prédire quand la mise en production peut être faite et quelles performance thermiques sont requises. Grâce à cela, l'ingénieur bloc chaud peut maintenant déterminer quel contrôleur en association avec quelle position du thermocouple et quelles performances des différents composants du bloc chaud délivre un polymère avec une distribution de température uniforme durant le démarrage.

FLUX DE CHALEUR.

M. Haspel, ingénieur d'application chez SIGMA établit qu'il est intéressant de comparer de manière abstraite les flux de chaleur avec le trafic routier. Une fois qu'un embouteillage se développe, les automobilistes prendront des itinéraires alternatifs évitant la congestion. Les nouveaux arrivants voient la 'résistance' en amont et prendront un détour sur des itinéraires ayant une 'résistance' apparente inférieure. Il en est de même avec les flux de chaleur, bien que cela soit plus subtil. La subtilité vient de la dépendance en température de la conductivité thermique et de la capacité calorifique. Dès que les flux de chaleur 'coulent' dans une direction spécifique, la température va augmenter le long de la trajectoire, la capacité calorifique ainsi que la conductivité thermique vont changer (les deux propriétés dépendent de la température). Par la suite, le flux de chaleur prendra un itinéraire alternatif 'évitant' ainsi le chemin précédent. Ceci est semblable aux flux des polymères, les parties ayant une faible perte de charge se rempliront en premier et les régions ayant une forte pression se rempliront en dernier. Le défi est que les flux de chaleur sont beaucoup plus difficiles à imaginer, à la fin nous avons une pièce plastique, et nous pouvons donc formuler des hypothèses avec la pièce réelle dans les mains pour savoir comment elle s'est remplie. Et avec de flux de chaleur difficile à évaluer, imaginez la difficulté que rencontre un ingénieur pour positionner un thermocouple dans des canaux chauds. Doit-il placer son thermocouple dans un flux de chaleur relativement stable ou s'il est malchanceux placer son thermocouple en un point où les flux de chaleur sont radicalement changeants.

RELAXATION DE LA VISCOSITE ET THIXOTROPIE.

Il est évident que, dans un système à canaux chauds, le polymère avance pendant l'injection, alors que pendant le compactage, l'avancée est marginale, et que pendant le refroidissement et le temps d'ouverture du moule, le polymère stagne, explique le Docteur Thornagel (Manager Application Development chez SIGMA). Un polymère en mouvement a une viscosité qui correspond à une distribution de taux de cisaillement pour une température spécifique. Quand l'injection ralentit rapidement, la viscosité ne suit pas aussi rapidement, elle aura une réponse retardée. Par exemple, la viscosité durant l'injection est de 1000 Pa.s. Quand le flux de matière s'arrête à la fin de la phase d'injection, la viscosité, pendant un laps de temps très court, va augmenter de sa valeur initiale jusqu'à atteindre sa valeur maximale. Et ce en quelques fragments de secondes. De la même manière, quand le cycle suivant commence, la viscosité prendra son temps pour descendre de la viscosité du fluide à l'arrêt jusqu'à la viscosité d'injection. Chaque polymère à sa réponse propre de viscosité au changement de taux de cisaillement. Nous avons longuement réfléchi quant au nom que nous allions donner à cette fonction, finalement nous avons décidé de l'appeler « Relaxation de la Viscosité » et non pas « Thixotropie de la Viscosité ». Nous avons évité le mot thixotropie car il a des interprétations populaires pour la diminution soudaine de la viscosité, alors que le mot réponse de viscosité reflète vraiment un phénomène général basé sur le temps. On peut très bien simuler des systèmes thixotropiques avec la fonction de Relaxation de la Viscosité, comme par exemple dans le moulage par injection du magnésium.

L'EQUILIBRAGE RHEOLOGIQUE DES CANAUX.

Le Docteur Michael Thies, développeur de 3D-SIGMA, estime qu'avec la fonction de Relaxation de la Viscosité l'utilisateur de 3D-SIGMA sera capable d'équilibrer rhéologiquement les canaux. L'équilibrage naturel, ou l'équilibrage géométrique des canaux sont bien connus. Normalement, les chemins reliant chaque cavité doivent être de même longueur. Cependant cela ne prend pas en compte, le moins connu et non pas pour autant le mieux compris des mécanismes, qui est qu'une géométrie équilibrée de canaux ne délivre pas toujours la matière en même temps aux seuils. Les différences de distribution de température entre les branches mais aussi les différences dans les angles font la différence dans la distribution de la matière. Maintenant nous avons compris que ces différences étaient dues à la relaxation de la viscosité.

L'équipe Cadflow

Cadflow, est une SSII française spécialisée dans la simulation rhéologique, la prestation de service en calcul et développement et éditeur des produits Cadmould et 3D-Sigma.
Cadflow propose une offre logiciels complète, pertinente et évolutive couvrant tous les besoins en plasturgie. Ces codes en 2,5D (fibre neutre ou surfacique) ou 3D volumiques adaptés aux thermopolymères et thermodurcissables présentent le double avantage d'une solution fiable et financièrement bien placée sur le marché.
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