Erner, Aliza (2005) Etude expérimentale du thermoformage assisté par poinçon d'un mélange de polystyrènes. PhD thesis Sciences et Génie des Matériaux, ENSMP - CEMEF Centre de Mise en Forme des Matériaux, ENSMP.

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Abstract

The plug-assisted thermoforming of a polystyrenes blend is experimentally studied to better understand the physical phenomena involved and to better control the process. This is done on the basis of an experimental approach, including thermoforming tests, rheological studies over a wide range of temperatures, strain rates and loading histories and plug-sheet contact characterisation, including friction and thermal contact resistance measurements. The analysis of the kinematics of the thermoforming process (using a rapid video-camera) leads to the characterisation of the actual loading features, which are rapid (strain-rates up to 100 s-1), sequenced, inhomogeneous and non-isothermal. The influence of the processing parameters is investigated, in particular the importance of the tool-sheet contact where thermal exchanges, friction and rheology interact. The behaviour of the blend within the thermoforming range drastically depends on temperature and strain-rate, due to the proximity of the glass transition. It is mainly reversible and poorly dissipative. The polymer exhibits a progressive change from a hyper-viscoelastic behaviour to an elastic-viscoplastic behaviour, where the a transition temperature deviation, as defined by the couple temperature/strain-rate, appears to be the main driving parameter. The time-temperature principle is extended to large strains. The thermal conditions of the contact, which defines the local temperature close to the plug-sheet interface, qi, are of prime importance. They depend on the plug and sheet temperatures and on the thermal properties of the two materials. Additionally some thermal contact resistance, which remains nevertheless difficult to estimate, can exist. The thermal contact also influences friction, whose effects is significant only when the local cooling of the sheet remains reasonable (qi >Ta). Finally, the friction coefficient between the plug and the sheet appears to depend on the local temperature and on the relative velocity. Phenomenological models are proposed and experimental identification protocols are proposed for each parameter. Their asset are demonstrated within the frame of a numerical simulation.

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[11] MONTMITONNET, P., Lois de frottement et mesure du frottement, cours DEA
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Table of content

Table des matières: Chapitre I: Contexte de l'étude. I.1. Présentation du thermoformage. I.2. Problématique de l'étude et démarche. Chapitre II: Propriétés viscoélastiques linéaires du polystyrène dans la gamme de thermoformage. II.1. Présentation du matériau de l'étude. II.2. Caractérisation des propriétés viscoélastiques linéaires. II.3. Etude bibliographique sur l'origine moléculaire du comportement mécanique macroscopique du polystyrène. Chapitre III: Etude expérimentale du procédé de thermoformage assisté. par poinçon. III.1. Introduction. III.2. Présentation du prototype instrumenté. III.3. Caractérisation du thermoformage "standard". III.4. Influence du contact poinçon: frottement et thermique. III.5. Influence des paramètres cinématiques (poinçon feutre). III.6. Conclusions. Chapitre IV: Comportement mécanique du polystyrène dans la gamme de thermoformage IV.1. Caractérisation expérimentale. IV.2. Discussion: interprétation en terme d'écart à la transition a. IV.3. Modélisation du comportement dans la gamme du thermoformage. Chapitre V: Caractérisation du contact poinçon feutre/matière. V.1. Frottement. V.2. Thermique. V.3. Conclusions. Chapitre VI: Validation numérique des résultats. VI.1. Présentation du problème numérique. VI.2. Etude de sensibilité dans le cas d'un poinçon isotherme. VI.3. Introduction d'une thermique dans le poinçon. VI.4. Conclusions. Chapitre VII: Conclusions et perspectives. VII.1. Conclusions. VII.2. Perspectives. Annexes: Annexe I. Principe de mesure par thermographie infra-rouge et propriétés radiatives du mélange de polystyrène étudié. Annexe II. Propriétés thermiques des matériaux. Annexe III. Thermoformage assisté par poinçon feutre d'une feuille de température initiale 116 °C avec soufflage "libre" (sans moule). Annexe IV. Détermination expérimentale de résistance thermique de contact feuille/outil en régime permanent.

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