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Mécanique Physique des Polymères Industriels - Pôle Polymères et Composites

Equipe MPI - Pôle Polymères et Composites

Noëlle Billon, Jean-Luc Bouvard, Séverine Boyer,Christelle Combeaud, Gabriel Monge



L’équipe développe des moyens et méthodes théoriques, expérimentaux à l’interface entre la mécanique et la physique des polymères. La prise en compte des conditions de transformation et de l’évolution de la microstructure est un de ses axes privilégié. Elle s’appuie sur des démarches mécaniques combinant la thermodynamique des processus irréversibles, des approches micro-mécaniques et de types statistiques de chaînes. Elle s’intéresse également aux procédés spécifiques du soufflage bi-étirage et au thermoformage.

Les matériaux étudiés sont à base polymères solides ou caoutchoutiques de toutes origines, composites, mousses, élastomères…



Ses travaux de recherche sont menés en collaboration avec les autres équipes de recherche du CEMEF.

Les principaux axes de recherche sont :



1.

 

Identification des comportements mécaniques des polymères


L’analyse du comportement s’appuie sur une utilisation de moyens de mesures de champs (déformation et température) appliqués à des mesure conventionnelles (traction, compression uniaxiale) ou moins habituelles comme le cisaillement et la traction biaxe dans un domaine de température et de vitesse couvrant la zone d’emploi et les gammes de soufflages et de thermoformage. Par exemple ; les moyens bi-axiaux non monotones développés et conçus par le centre, les recherches avancent de manière significative dans l’identification de modèles de comportement et dans la compréhension des procédés d’étirage : étirage de films, thermoformage ou soufflage bi-étirage.

       

2.

 

Modèles de comportement mécanique pour les polymères


L’objectif général est de proposer un cadre thermodynamique 3D dédié aux polymères solides et caoutchoutiques.
Les démarches sont menées dans un formalisme compatible avec les grandes transformations. Nous conservons le même cadre général pour modéliser la mise en œuvre par étirage et les propriétés d’emploi des polymères. Nous espérons pouvoir modéliser ainsi les grandes déformations visco-élastiques des polymères grâce à l’intégration de modèles de comportement thermo mécaniquement couplés, ou plus généralement ouvert à une prise en compte de couplages physique (voire chimie) - mécanique.
Un intérêt particulier est porté à l’utilisation des modèles à origines physiques issus des démarches de type statistique de chaîne et élasticité caoutchoutique.
L’efficacité de ce formalisme a été démontrée sur des polymères de natures différentes au dessus ou au voisinage de la transition vitreuse. Il s’agit de polymères amorphes linéaires (PMMA), de mélanges d’amorphes greffés (HIPS), de semi cristallin (PA), de thermodurcissables (PU) ou encore PET (cristallisation sous charge). A chaque fois des considérations physiques sur le matériau aident à ajuster les lois d’évolution des paramètres.

Domaines d’application :
    • Les usages structuraux des polymères : automobile, électroménager, BTP, aéronautique;
    • Le packaging en particulier alimentaire ;
    • Les coopérations avec les éditeurs de code (modélisation et construction de base de données) ;
    • L’aide au « design moléculaire » avec les producteurs de résine.

       

3.

 

Injection soufflage, thermoformage


Ces procédés nécessitent un traitement spécifique pour deux raisons essentielles :
    • Les sollicitations, combinant un étirage suivi ou accompagné d’un soufflage, sont variables ;
      Les « leviers » de réglages technologiques sont donc nombreux et de ce fait l’analyse du procédé est complexe ;
    • La gamme de formage où le matériau n’est plus, formé à l’état fondu mais dans son état caoutchoutique si il est amorphe ou en cours de fusion si il est semi cristallin, après réchauffage à partir de l’état solide ;

De ce fait, ce type de procédés est très demandeur de rhéologies très pertinentes alors que la rhéologie du matériau atteint un niveau haut de complexité.

Depuis 1997 au fil d’une dizaine de projets Mastère et de 5 thèses nos études ont permis de dégager un protocole de caractérisation de l’aptitude au soufflage ou au thermoformage de résines polymères, en particulier PET et PS. Ce protocole combine des analyses de laboratoires et des essais semi industriels. Il a permis de montrer la grande sensibilité du procédé de soufflage bi étirage à des détails de l’architecture moléculaire du PET.

Exemples de corps creux obtenus en soufflage libre à partir d’une même géométrie de préforme et pour des conditions de température et de pression identiques. Comparaison entre 6 résines PET.

Les cinématiques locales de déformations ont pu être mesurées qui mettent en évidence un « séquencement » type, complexe fortement influencé par la thermique et le frottement dans le thermoformage assisté par poinçon.


Séquences types de formage en soufflage bi étirage et en thermoformage assisté par poinçon.


 
Mise en évidence d’effets de frottement sur un poinçon. A gauche effet de la température (froid en haut, frottement faible ; chaud en bas frottement élevé) ; A droite effet de vitesse (rapide à gauche, frottement faible ; lent à droite frottement élevé)

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