Le procédé d’injection

L’injection est une technique de mise en forme des matériaux polymères qui consiste à chauffer la matière afin de la ramollir suffisamment pour pouvoir l’injecter dans un moule dont les parois sont refroidies en dessous de Tf pour les polymères semi-cristallins ou de Tg pour

les polymères amorphes. La pièce désirée prend ainsi forme en se solidifiant (Vincent, 2019). Le cycle du moulage par injection dure entre quelques secondes et plusieurs minutes et est composé de plusieurs étapes détaillées ci-après (Agassant, et al., 1996).

Effets du soudage par vibration sur la microstructure et le comportement en traction de polymères semi-cristallins renforcés par des fibres de verre - Eeva Mofakhami

25

- La phase de dosage, qui consiste à insérer les granulés de matière dans le fourreau à l’aide d’une trémie.

- La phase de plastification, illustrée sur la Figure 15, au cours de laquelle la matière sous forme de granulés est fondue et homogénéisée grâce à la rotation d’une vis sans fin et au maintien du fourreau à une température élevée via des colliers chauffants ou des résistances. Lors de l’injection de granulés contenant des fibres de verre, cette étape génère la casse de ces dernières et diminue leur longueur moyenne tout en induisant une distribution de longueur non homogène dans l’écoulement (Megally, 2005).

- La phase de remplissage du moule, où la vis se déplace axialement afin de jouer le rôle de piston. L’injection de la matière a alors lieu dans la cavité du moule. Ce faisant, les fibres s’orientent préférentiellement en fonction de l’écoulement induit.

- La phase de compactage, qui consiste à maintenir une pression élevée jusqu’au figeage

de la matière. Pour cela, de la matière supplémentaire est ajoutée dans le moule afin de limiter le retrait thermique.

- Enfin, les dernières étapes sont le refroidissement et l’éjection. Le refroidissement débute

au moment du retrait de la pression jusqu’à l’ouverture du moule et la pièce est ensuite retirée du moule à l’aide d’éjecteurs ou de robots en fonctions de ces dimensions. Pendant l’étape de refroidissement et d’éjection, la vis recule axialement afin de commencer la phase de plastification de la prochaine pièce à mouler.

Effets du soudage par vibration sur la microstructure et le comportement en traction de polymères semi-cristallins renforcés par des fibres de verre - Eeva Mofakhami

26

1.3.1.2 Effets du procédé sur la morphologie cristalline du polymère

Le choix des paramètres procédés de l’injection joue un rôle non négligeable sur les propriétés du matériau final puisque de ces choix vont dépendre l’historique thermique, notamment la cinétique de refroidissement, de la matière et donc la morphologie cristalline du polymère. L’augmentation de la vitesse de refroidissement diminue la taille des sphérolites du fait de l’augmentation du nombre de germes de croissance. De plus, la présence d’un gradient thermique, dû au refroidissement au contact des parois du moule, a également un impact sur la morphologie des structures cristallines avec des sphérolites qui vont croitre dans la direction des températures décroissantes pour donner forme à des structures parallèles au gradient de température (Haudin, 2015).

L’écoulement de la matière impacte également la cristallinité du polymère puisqu’il augmente sa température de cristallisation. Ceci s’explique par le fait que l’écoulement, en orientant les macromolécules, diminue le nombre de conformations possibles, ce qui abaisse l’entropie et augmente donc la température d’équilibre thermodynamique qui résulte du ratio entre l’enthalpie et l’entropie. De plus, des études expérimentales ont également montré que le nombre de germes activé croit avec l’écoulement. Ainsi, l’effet de l’écoulement se traduit par des morphologies cristallines plus petites et anisotropes. Enfin, de la même manière que l’écoulement, la pression augmente également la température de cristallisation en diminuant le volume libre et donc l’entropie (Haudin, 2015).

1.3.1.2 Effets du procédé sur l’orientation des fibres

Deux types d’écoulement sont présents lors de l’injection de la matière : les écoulements de cisaillement, présents dans les canaux d’injection ou dans les cavités minces, et les écoulements élongationnels, qui peuvent être divergents ou convergents, présents au front de matière ou dans les zones à géométrie changeante (Vincent, et al., 1997). Dans un écoulement de cisaillement simple, une fibre isolée est animée d’un mouvement périodique tel qu’illustré sur la Figure 16, avec un temps de séjour significativement plus long dans la configuration parallèle à la direction d’injection. Ainsi, dans la plupart des pièces injectées, les fibres s’orientent dans le sens de l’injection mais pour les zones présentant des singularités géométriques capables d’induire des contraintes d’élongation, les fibres vont s’orienter dans la direction d’étirement du fluide (Redjeb, 2007).

Effets du soudage par vibration sur la microstructure et le comportement en traction de polymères semi-cristallins renforcés par des fibres de verre - Eeva Mofakhami

27

Figure 16 : Orientation d’une fibre en fonction du type d’écoulement (Redjeb, 2007)

Lors de l’injection d’une plaque, le front de matière subit un effet fontaine qui entraine un flux d’élongation à mi- épaisseur de la plaque (El Otmani, 2009). Cela crée donc une zone de cœur au centre de la plaque au sein de laquelle les fibres sont orientées perpendiculairement à la direction d’injection. La Figure 17 atteste de l’orientation obtenue grâce à l’analyse par microtomographie aux rayons X pour une plaque de PA66-GF30 injecté (Arif, 2014). Cette microstructure est rencontrée très fréquemment pour les polymères renforcés par des fibres mis en forme par injection. L’épaisseur de la couche de cœur au sein de laquelle les fibres s’orientent perpendiculairement varie en fonction des paramètres procédés et du matériau. De plus, comme illustré sur la Figure 18, des effets de bords sont également présents au sein des pièces et réorientent les fibres le long des parois (Horst & Spoormaker, 1997). Ainsi, il est important de caractériser ou modéliser la microstructure obtenue car elle influence les propriétés mécaniques de la pièce réalisée.

Effets du soudage par vibration sur la microstructure et le comportement en traction de polymères semi-cristallins renforcés par des fibres de verre - Eeva Mofakhami

28

Figure 18 : Représentation schématique de l’orientation des fibres dans une plaque injectée de 6mm d’épaisseur en PA6- GF30 (Horst & Spoormaker, 1997)