Modeling of the silicone injection

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1 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, Suresnes (France) (2) PROMOLD, 5 bis pas. Geffroy Didelot, Paris (France) (3) ENSAM LTVP, 151 bd de l Hôpital, Paris (France)

2 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)

3 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.

4 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.

5 Methodology Determination of viscosity

6 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).

7 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%.

8 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).

9 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 :

10 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.

11 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

12 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.

13 Moldflow simulation

14 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

15 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

16 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

17 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

18 Filling : Flow front 1 2 3

19 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

20 Filling : End of filing Short shot

21 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?

22 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)

23 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.

24 Filling : cavity pressure t = 240 s t = 600 s t = 900 s

25 Filling : cavity pressure t = 900 s t = 1080 s t = 1195 s

26 Filling : End of filling Good prediction 1

27 Filling : End of filling Good prediction 4

28 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.

29 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.

30 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