Optimisation du procédé de fabrication d'isolateurs vibratoires en polychloroprène

(1)

OPTIMISATION DU PROC ´

ED´

E DE FABRICATION D’ISOLATEURS VIBRATOIRES

EN POLYCHLOROPR`

ENE

EMMANUELLE SOMMIER

D´

EPARTEMENT DE G´

ENIE M ´

ECANIQUE

´

ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´

EAL

M ´

EMOIRE PR´

ESENT´

E EN VUE DE L’OBTENTION

DU DIPL ˆ

OME DE MAˆITRISE `

ES SCIENCES APPLIQU´

EES

(G´

ENIE M ´

ECANIQUE)

D´

ECEMBRE 2013

c

(2)

´

ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´

EAL

Ce m´

emoire intitul´

e :

OPTIMISATION DU PROC ´

ED´

E DE FABRICATION D’ISOLATEURS VIBRATOIRES

EN POLYCHLOROPR`

ENE

pr´

esent´

e par : SOMMIER Emmanuelle

en vue de l’obtention du diplˆ

ome de : Maˆıtrise `

es sciences appliqu´

ees

a ´

et´

e dˆ

ument accept´

e par le jury d’examen constitu´

e de :

M. GOSSELIN Fr´

ed´

erick, Doct., pr´

esident

Mme ROSS Annie, Ph.D., membre et directrice de recherche

M. AIT MESSAOUD Djebar, M.Sc.A., membre

(3)

REMERCIEMENTS

Je remercie tout d’abord `

a remercier la directrice de recherche de mon projet, Mme Annie

Ross, pour m’avoir accompagn´

ee dans la r´

ealisation de ce travail, et pour ses conseils et son

grand positivisme.

Grands mercis ´

egalement `

a Edith-Roland Fotsing pour son aide pr´

ecieuse dans la r´

edaction

de ce m´

emoire.

Je tiens ´

egalement `

a remercier tous les employ´

es de Soucy Baron Inc. pour leur chaleureux

accueil, et en particulier Daniel Dufresne et Alain Raymond pour leur indispensable assistance

dans le moulage des isolateurs et la r´

ealisation des tests m´

ecaniques, ainsi que Martine Lavoie

pour le partage de ses connaissances et son support technique dans la r´

ealisation des travaux.

J’aimerais ´

egalement `

a remercier Eric Sing et Simon Bourgault-Cˆ

ot´

e, ´

etudiants stagiaires de

l’´

ecole Polytechnique qui ont grandement contribu´

e `

a certaines sections du projet.

(4)

R´

ESUM´

E

Ce projet de maˆıtrise a ´

et´

e mis en place dans le but de r´

epondre `

a une probl´

ematique

ren-contr´

ee dans l’industrie des v´

ehicules r´

ecr´

eatifs. Le moteur de ce type de v´

ehicule est source

de vibrations qui peuvent ˆ

etre inconfortables tant pour l’utilisateur que pour les autres ´

el´

e-ments m´

ecaniques du v´

ehicule. Dans le but de r´

eduire les eﬀets nocifs de ces vibrations, des

isolateurs visco´

elastiques sont mont´

es entre le moteur et la structure. Certains isolateurs sont

fabriqu´

es `

a base de Polychloropr`

ene qui un ´

elastom`

ere oﬀrant une combinaison de propri´

et´

es

m´

ecaniques et r´

esistances particuli`

erement int´

eressante pour une application d’isolation

vi-bratoire dans des environnements diﬃciles. Cependant, ces pi`

eces pr´

esentent des variabilit´

es

notables et inexpliqu´

ees de leurs propri´

et´

es m´

ecaniques suite `

a leur fabrication.

L’objectif de ce projet de recherche est donc d’investiguer les diﬀ´

erentes sources ´

eventuelles

de variabilit´

e intervenant lors du proc´

ed´

e de fabrication des supports, et ainsi d’´

evaluer leur

impact sur les propri´

et´

es m´

ecaniques de ces pi`

eces. Il s’agit de regarder l’ensemble du

pro-c´

ed´

e de fabrication des supports de moteur, de la pr´

eparation du m´

elange d’´

elastom`

ere, au

moulage des pi`

eces puis de leur conditionnement apr`

es moulage jusqu’`

a la livraison au client.

Le travail de recherche eﬀectu´

e a ´

et´

e divis´

e en deux volets. Tout d’abord, l’eﬀet des diﬀ´

erents

aspects externes au proc´

ed´

e central de moulage des pi`

eces a ´

et´

e analys´

e : le m´

elangeage (en

amont), la thermique du moule (pendant), et le refroidissement des pi`

eces (en aval). Ensuite,

les param`

etres intervenant lors du processus de moulage par injection des pi`

eces ont ´

et´

e

consid´

er´

es.

Pour mener `

a bien ces deux points, l’homog´

en´

eit´

e du m´

elange brut a tout d’abord ´

et´

e v´

eriﬁ´

ee

`

a l’aide de mesures exp´

erimentales du module ´

elastique. Ces mesures ont ´

et´

e r´

ealis´

ees `

a l’aide

d’un tensiom`

etre sur des ´

eprouvettes du m´

elange ´

etudi´

e.

Par la suite, aﬁn de v´

eriﬁer l’uniformit´

e de la distribution de temp´

erature dans un moule `

a

injection, un mod`

ele thermique par ´

el´

ements ﬁnis d’un moule de production a ´

et´

e d´

evelopp´

e

et valid´

e par des mesures exp´

erimentales r´

ealis´

ees `

a l’aide d’un thermocouple. Cela a permis

d’acqu´

erir une premi`

ere id´

ee de la distribution de temp´

erature dans un moule, en d´

epit du

fait que les conditions aux limites appliqu´

ees se soient av´

er´

ees insuﬃsantes pour reproduire

ﬁd`

element la r´

ealit´

e. N´

eanmoins, un moule permettant de mouler plusieurs pi`

eces `

a la fois

a ´

et´

e investigu´

e. Et l’eﬀet de la position de la cavit´

e de cuisson sur les propri´

et´

es a pu ˆ

etre

analys´

e. Les supports ont ´

et´

e exp´

erimentalement caract´

eris´

es `

a l’aide d’une machine

servo-hydraulique de traction permettant d’´

evaluer leurs propri´

et´

es statiques et dynamiques.

Deux modes de refroidissement apr`

es cuisson ont ´

et´

e compar´

es, le refroidissement en

condi-tion normale de produccondi-tion, et le refroidissement `

a l’air ambiant. Il s’est av´

er´

e que le premier

mode ´

etait trois fois plus pr´

ejudiciable que le second et n’autorisait pas un refroidissement

(5)

uniforme ad´

equat des pi`

eces.

Finalement, la m´

ethodologie des plans d’exp´

erience a ´

et´

e appliqu´

ee et a permis d’identiﬁer

les param`

etres d’inﬂuence du proc´

ed´

e de moulage par injection, et d’´

etablir une relation entre

eux et les propri´

et´

es m´

ecaniques. Il a ´

et´

e montr´

e que non seulement les param`

etres reli´

es `

a la

temp´

erature avaient un eﬀet pr´

edominant, mais ´

egalement que la variabilit´

e diminuait pour

un ´

etat de cuisson plus ´

elev´

e des pi`

eces.

Mots-clefs : ´

Elastom`

eres, vibration, isolation, proc´

ed´

e de fabrication, moulage par

injec-tion.

(6)

ABSTRACT

The project presented in this thesis was established as a means to ﬁnd answers to issues

encountered in the recreation vehicule industry. Recreation vehicule engine generates

vibra-tion that can lead to passenger incomfort or to mechanical failure. The reducvibra-tion of such

vibration has been a major focus for the industry. As a means to overcome this problem,

passive isolators are generally placed between the engine and the structure. However, engine

mounts made of Polychloroprene rubber present abnormal variability in their mechanical

properties.

The main purpose of this research project was to investigate the possible sources of variability

occuring during the manufacturing process of isolators, and thus evaluate their impact on

parts mechanical properties. The work consisted to look at the global manufaturing process,

namely elastomer mixture preparation, parts molding and cooling.

As such, the research work was divided in two major stages. First of all, external aspects

to the main molding process were considered, including mixture preparation, mold thermal

variations and parts cooling. Then the parameters directly involved during the injection

molding process were investigated.

The homogeneity of the raw mixture was analized through experimental measurements of

the elastic modulus. Tests were done with a tensiometer on dumbbells.

Subsequently, as a means to verify the uniformity of the temperature distribution in a mold,

a thermal ﬁnite element model was developped based on a production mold geometry. The

model was validated through experimental measurements using a thermocouple. Comparison

with experiment conﬁrmed that the model gives a ﬁrst good idea of the temperature

distri-bution in the mold. But some adjustments of the boundary conditions are still needed to

accurately reproduced the reality. Nevertheless, as the mold produces several parts at a time,

a comparison between cavity locations was done in order to assess their eﬀect on properties.

Engine mounts were experimentally characterized using a servo-hydraulic uniaxial load

ma-chine to evaluate their static and dynamic properties.

Thereafter, two diﬀerent cooling operation procedures were compared, namely the

produc-tion cooling method, and the ambiant air cooling method. It was found that the producproduc-tion

cooling method was three times more detrimental than the second method, and did not allow

an adequate uniform cooling of molded parts.

Finally, the design of experiments methodology was applied to identify the most inﬂuential

parameters of the injection molding process. A relationship was established between those

parameters and mechanical properties. It was found that temperature linked parameters had

a predominant eﬀect. Moreover, it was demonstrated that the variability decreased with a

(7)

higher curing state of molded parts.

(8)

TABLE DES MATI`

ERES

REMERCIEMENTS . . . .

iii

R´

ESUM´

E . . . .

iv

ABSTRACT

. . . .

vi

TABLE DES MATI`

ERES . . . viii

LISTE DES TABLEAUX . . . .

x

LISTE DES FIGURES . . . .

xi

LISTE DES SIGLES ET ABR´

EVIATIONS . . . xiii

LISTE DES SYMBOLES . . . xiv

CHAPITRE 1

INTRODUCTION . . . .

1 CHAPITRE 2

REVUE DE LITT´

ERATURE . . . .

3

2.1 Les isolateurs passifs de vibration . . . .

3

2.2 Les ´

elastom`

eres . . . .

4

2.2.1 Les familles de polym`

eres

. . . .

4

2.2.2 Caract´

eristiques des ´

elastom`

eres . . . .

5

2.3 Mise en forme de pi`

eces en ´

elastom`

ere . . . .

7

2.3.1 Formulation du m´

elange . . . .

8

2.3.2 Fabrication du m´

elange . . . .

8

2.3.3 Le moulage . . . 10

2.3.4 Le refroidissement . . . 11

2.4 M´

ethodes de caract´

erisation des ´

elastom`

eres . . . 11

2.5 M´

ethodes d’optimisation de proc´

ed´

es . . . 15

2.5.1 Introduction aux plans d’exp´

erience (DOE)

. . . 16

2.5.2 M´

ethodologie d’un processus d’optimisation . . . 17

2.5.3 Outils d’analyse des donn´

ees d’un plan d’exp´

erience . . . 18

(9)

CHAPITRE 4

ARTICLE 1 : INFLUENCE OF MANUFACTURING NOISE

PARA-METERS ON THE PROPERTIES OF ELASTOMERIC VIBRATION ISOLATORS 23

4.1 Introduction . . . 23

4.2 Experimental procedures . . . 25

4.2.1 Homogeneity of elastomer blend . . . 26

4.2.2 Injection Mold Thermal Modeling . . . 28

4.2.3 Impact of cooling conditions . . . 31

4.3 Results and discussion . . . 31

4.3.1 Homogeneity and curing conditions of elastomer mixture . . . 31

4.3.2 Injection Mold Temperature . . . 35

4.3.3 Cooling Operating Conditions . . . 40

4.4 Conclusions . . . 41

CHAPITRE 5

ARTICLE 2 : CHARACTERIZATION OF THE INJECTION

MOL-DING PROCESS OF PASSIVE VIBRATION ISOLATORS . . . 43

5.1 Introduction . . . 44

5.2 Design of experiments (DOE) methodology . . . 46

5.2.1 Planning the experiment . . . 46

5.2.2 DOE phase 1: Screening Design . . . 47

5.2.3 DOE phase 2: Optimization . . . 48

5.2.4 Validation of the model . . . 49

5.3 Experimental procedures . . . 49

5.3.1 Methodology

. . . 49

5.3.2 Samples manufacturing . . . 50

5.3.3 Mechanical properties measurements . . . 51

5.4 Screening procedure . . . 52

5.4.1 Experimental design . . . 52

5.4.2 Initial results . . . 53

5.5 Optimization process . . . 54

5.5.1 Experimental design . . . 54

5.5.2 Results . . . 57

5.6 Discussion . . . 57

5.7 Conclusion . . . 66

CHAPITRE 6

DISCUSSION G ´

EN´

ERALE . . . 67

CHAPITRE 7

CONCLUSION . . . 72

(10)

LISTE DES TABLEAUX

Table 4.1

Number of dumbbell specimens per set of parameters used for the

ho-mogeneity study

. . . 27

Table 4.2

Ansys Workbench simulation parameters used in the ﬁnite element

modelling of a production injection mold . . . 29

Table 4.3

For batch A and B, comparison of static moduli obtained as the

300-500% strain slope of previous stress/strain curves . . . 33

Table 4.4

For batch A and B, comparison of stress and elongation at break of

obtained stress/strain curves

. . . 33

Table 5.1

List of studied input parameters for the screening design DOE1 . . . . 50

Table 5.2

Variability ranges for every chosen parameter used in the designs of

experiment

. . . 51

Table 5.3

Fractional factorial design of the screening phase (DOE1) . . . 53

Table 5.4

Split-plot experimental design of the optimization phase (DOE2) . . . . 55

Table 5.5

Regression coeﬃcients obtained for each output mechanical properties

resulted from DOE2

. . . 57

Table 5.6

Global experimental errors of the molding process for DOE2 . . . 57

Table 5.7

Variability ranges used for input and output variables of the empirical

model . . . 60

Table 5.8

Mechanical properties of chosen triplets . . . 61

Table 5.9

Solutions density evolution in terms of curing time and temperature –

DOE 2 quadratic model . . . 63

Table 5.10

Solutions density evolution in terms of curing time and temperature –

DOE 2 linear model

. . . 63

Tableau 6.1

Erreurs permises sur la temp´

erature et le temps de cuisson entre les

(11)

LISTE DES FIGURES

Figure 2.1

Exemple de g´

eom´

etrie de supports de moteur [36] . . . .

3 Figure 2.2

Mol´

ecule ramiﬁ´

ee [23] . . . .

5 Figure 2.3

Mol´

ecule fortement r´

eticul´

ee [23]

. . . .

5 Figure 2.4

Mol´

ecule faiblement r´

eticul´

ee [23] . . . .

5 Figure 2.5

Evolution du module ´

elastique d’un caoutchouc avec la temp´

erature

(adapt´

ee de [24]) . . . .

7 Figure 2.6

Evolution du facteur de perte avec la temp´

erature (adapt´

ee de [24]) . .

7 Figure 2.7

M´

elangeur interne . . . .

9 Figure 2.8

M´

elangeur externe . . . .

9 Figure 2.9

Le moulage par injection . . . 10

Figure 2.10

Sch´

ema de la cavit´

e d’un rh´

eom`

etre `

a matrices biconiques

. . . 12

Figure 2.11

Evolution du module ´

´

elastique lors de la vulcanisation

. . . 12

Figure 2.12

Test de tension avec extensom`

etre . . . 13

Figure 2.13

Exemple d’installation de test sur une MTS . . . 14

Figure 2.14

D´

etermination de la raideur avec la m´

ethode des tangentes . . . 16

Figure 2.15

D´

etermination de la raideur avec la m´

ethode des s´

ecantes . . . 16

Figure 2.16

Variables d’un proc´

ed´

e . . . 17

Figure 2.17

Exemple type d’histogramme Pareto . . . 18

Figure 3.1

Sch´

ematisation du processus de fabrication . . . 21

Figure 4.1

Components of an injection molding machine

. . . 24

Figure 4.2

Timed execution of the diﬀerent steps of the homogeneity study . . . . 26

Figure 4.3

Cavities identiﬁcation of the production mold studied . . . 28

Figure 4.4

Boundary conditions applied in the thermal model of a production mold 29

Figure 4.5

For 3 diﬀerent batch locations, comparison of averaged stress/strain

curves of two Polychloroprene blend A and B cured at 165

◦

C for 150s. . 34

Figure 4.6

Averaged stress/strain curves of rubber blend B for 4 diﬀerent curing

conditions . . . 35

Figure 4.7

Heat probe temperature variation over 200 seconds for 10 successive

injection molding cycles - Comparison with thermal simulation results . 35

Figure 4.8

Averaged heat probe temperature evolution over 10 successive cures . . 36

Figure 4.9

Heat probe temperature variation measured from the end of an

injec-tion molding cycle to the beginning of a new one for 4 successive cycles

37 Figure 4.10

Map of the temperature distribution in the mold obtained with Ansys

Workbench after a cycle of 240s . . . 38

(12)

Figure 4.11

Isolator stiﬀness relative to 4 diﬀerent mold cavity positions and

suc-cessive cures . . . 39

Figure 4.12

Isolator stiﬀness evolution over time and as a function of delivery box

ﬁlling . . . 40

Figure 5.1

Example of vibration isolator

. . . 44

Figure 5.2

Cause-and-eﬀect diagram of the injection molding process of isolator

mounts . . . 49

Figure 5.3

Example of a strain-stress hysteresis proﬁle obtained for the isolator

presently studied and used to evaluate the static stiﬀness . . . 52

Figure 5.4

DOE1 analysis: Diagram of the eﬀects of DOE1 input parameters on

Static stiﬀness (a), Dynamic stiﬀness (b) and Loss factor (c). . . 54

Figure 5.5

Normal distribution of the residuals obtained with DOE2 – (a) Static

stiﬀness; (b) dynamic stiﬀness; (c) Loss factor. . . 56

Figure 5.6

Surface of the quadratic model solutions obtained from the analysis of

DOE2 results . . . 58

Figure 5.7

Surface of mechanical properties obtained from DOE2 results and as

a function of curing temperature and time: (a) Static stiﬀness – (b)

Dynamic stiﬀness for a 50hz excitation frequency – (c) Loss factor for

a 50hz excitation frequency

. . . 59

Figure 5.8

Scheme of the empirical model build from the DOE2 resulting

statisti-cal model . . . 60

Figure 5.9

Example of possible solutions obtained for the optimization process on

the three output variables . . . 60

Figure 5.10

Surface of solutions density obtained with the quadratic model from

DOE 2 in terms of curing time and temperature: (a) Comparison of 7

solutions - (b) Comparison of 3 solutions . . . 62

Figure 5.11

Solutions map of mechanical properties (stiﬀness and loss factor)

ob-tained with the linearized DOE2 . . . 64

Figure 5.12

Surface of solutions density obtained with DOE 2 (linear model) in

terms of curing time and temperature: (a) 7 solutions – (b) 3 solutions

65 Figure 6.1

Param`

etres de cuisson optimis´

es permettant d’atteindre les requis du

(13)

LISTE DES SIGLES ET ABR´

EVIATIONS

ANOVA

ANalysis Of VAriance

DFSS

Design For Six-Sigma

DMADV

Deﬁne Measure Analyze Design Validate

DMAIC

Deﬁne Measure Analyze Improve Control

DOE

Design Of Experiments

ETC

Easy To Change

HTC

Hard To Change

ppm

parts per million

REML

REstricted Maximum Likelihood

RSM

Response Surface Methodology

SBI

Soucy Baron Inc.

SP

Split-Plot

(14)

LISTE DES SYMBOLES

α

0

, α

1

, α

i

Coeﬃcients d’un mod`

ele de pr´

ediction

ˆ

α

0

, ˆ

α

1

, ˆ

α

i

Coeﬃcients d’un mod`

ele de r´

egression

δ

Angle de perte

η

Facteur de perte

ϵ

Terme d’erreur d’un mod`

ele de pr´

ediction

ϵ

i

, ϵ

ij

Terme d’erreur associ´

ee `

a chaque observation d’un plan d’exp´

erience

a

0

, a

i

, b

ij

, c

i

Coeﬃcients d’un mod`

ele de r´

egression

c

k

Fonction de contrainte

C

1

Conditions de vulcanisation 1

C

2

Conditions de vulcanisation 2

C

3

Conditions de vulcanisation 3

C

4

Conditions de vulcanisation 4

d

D´

eformation

D

Dur´

ee de vulcanisation

˙e

vitesse de d´

eformation

E

Espace de contrainte d’´

egalit´

e

f

Fonction du mod`

ele de pr´

ediction

F

Force

I

Espace de contrainte d’in´

egalit´

e

K

d

Raideur dynamique

K

s

Raideur statique

T

Temp´

erature de vulcanisation

T

α

Temp´

erature de relaxation principale

T

a

Temp´

erature de l’air ambiant

T

c

Temp´

erature des plateaux chauﬀants

T

d

Temp´

erature de d´

ecomposition

T

g

Temp´

erature de transition vitreuse

T

i

Temp´

erature initiale du moule

W

Aire d’un cycle hysteresis

x

i

, x

j

Variables d’entr´

ee d’un mod`

ele de pr´

ediction

X

Facteur d’entr´

ee d’un Processus

Y

Facteur de sortie d’un Processus

Y

i

Variable de sortie d’un Processus

ˆ

(15)

Y

Facteur de sortie d’un Processus

z

Facteur de bruit d’un Processus

(16)

CHAPITRE 1

INTRODUCTION

Probl´

ematique g´

en´

erale

Le confort de l’utilisateur est devenu au ﬁl des ann´

ees un argument important de vente

des v´

ehicules r´

ecr´

eatifs. Pour cette raison, la r´

eduction des vibrations, source principale de

l’inconfort et parfois aussi de bris m´

ecaniques, est une ´

etape cruciale du design de ces

en-gins. Une pratique courante de r´

eduction des vibrations g´

en´

er´

ees par le moteur consiste `

a

isoler celles-ci du passager grˆ

ace `

a l’utilisation d’isolateurs passifs. Ces derniers sont plac´

es

`

a diﬀ´

erents endroits strat´

egiques entre le moteur et le chˆ

assis du v´

ehicule. Ces isolateurs,

plus commun´

ement appel´

es supports de moteur, doivent ˆ

etre capable de supporter de fa¸con

homog`

ene le poids du moteur dans toute sa plage de fonctionnement.

Un ´

elastom`

ere oﬀre d’int´

eressantes caract´

eristiques visco´

elastiques pour l’amortissement et

hyper´

elastiques pour la d´

eformation, qui en font un candidat id´

eal pour ˆ

etre utilis´

e dans la

fabrication de tels isolateurs. Chimiquement li´

e `

a des inserts m´

etalliques de ﬁxation `

a l’aide

d’une colle adapt´

ee, l’´

elastom`

ere peut alors faire partie int´

egrante de l’architecture du v´

ehi-cule.

L’´

elastom`

ere utilis´

e comme support de moteur sur v´

ehicule r´

ecr´

eatif doit non seulement

poss´

eder de bonnes propri´

et´

es m´

ecaniques, mais ´

egalement oﬀrir une bonne r´

esistance `

a un

environnement tr`

es sollicitant (humidit´

e, chaleur, ozone, fuel...) tout au long de la vie du

v´

ehicule. Un ´

elastom`

ere est en fait un m´

elange de diﬀ´

erents constituants combin´

es ensemble

et permettant ainsi d’atteindre les propri´

et´

es recherch´

ees. Le caoutchouc est le principal

com-posant d’un l’´

elastom`

ere et lui conf`

ere ainsi ses propri´

et´

es visco´

elastiques et hyper´

elastiques

de base. Son association `

a diﬀ´

erentes charges et additifs permet par la suite de renforcer

consid´

erablement ses propri´

et´

es et r´

esistances tout en augmentant sa dur´

ee de vie.

Parmi tous les ´

elastom`

eres, le Polychloropr`

ene est un caoutchouc synth´

etique qui pr´

esente

d’excellentes propri´

et´

es amortissantes, une bonne r´

esistance aux charges m´

ecaniques et au

vieillissement ainsi qu’une grande capacit´

e d’adh´

erence au m´

etal. Il poss`

ede par ailleurs une

´

etanch´

eit´

e ´

elev´

ee aux diﬀ´

erents produits issus du p´

etrole ainsi qu’une forte r´

esistance `

a l’ozone

et `

a la chaleur, lui conf´

erant une faible ﬂammabilit´

e ainsi qu’une d´

egradation r´

eduite au cours

du temps. Cela fait de lui un mat´

eriau id´

eal `

a la fabrication de supports de moteur utilis´

es

(17)

dans l’industrie des v´

ehicules r´

ecr´

eatifs.

Les isolateurs sont g´

en´

eralement fabriqu´

es par l’interm´

ediaire du proc´

ed´

e de moulage par

injection. Ce proc´

ed´

e consiste `

a injecter sous pression le m´

elange d’´

elastom`

ere brut dans les

cavit´

es d’un moule chaud aﬁn de lui donner sa forme ﬁnie. Mais de la composition du m´

e-lange, au moulage, suivi du refroidissement des pi`

eces, puis du stockage jusqu’`

a la livraison

au client, chaque ´

etape du proc´

ed´

e de fabrication des isolateurs a une inﬂuence signiﬁcative

sur les caract´

eristiques m´

ecaniques du produit ﬁnal.

Des variations notables des propri´

et´

es m´

ecaniques ont ´

et´

e observ´

ees sur des isolateurs moul´

es

en Polychloropr`

ene, et provenant du mˆ

eme lot de m´

elange et du mˆ

eme cycle de moulage. Une

grande sensibilit´

e du m´

elange de Polychloropr`

ene aux param`

etres de fabrication est donc

en-visageable. Cependant, assurer une uniformit´

e et un contrˆ

ole strict des propri´

et´

es m´

ecaniques

des produits ﬁnaux est aujourd’hui un facteur crucial de vente dans l’industrie des v´

ehicules

r´

ecr´

eatifs.

Objectif g´

en´

eral

L’objectif global de ce projet est la compr´

ehension de l’inﬂuence des diﬀ´

erents param`

etres

intervenant lors du processus de fabrication d’isolateurs en polychloropr`

ene. Un accent

parti-culier est mis sur l’´

etude de la variabilit´

e des propri´

et´

es m´

ecaniques (raideur statique, raideur

dynamique et facteur de perte) aﬁn de proposer un meilleur contrˆ

ole qualit´

e des pi`

eces

pro-duites. Pour ce faire, chaque ´

etape de fabrication des isolateurs en Polychloropr`

ene a ´

et´

e

analys´

ee, incluant l’homog´

en´

eit´

e du m´

elange, l’uniformit´

e de la temp´

erature du moule,

l’im-pact de la temp´

erature et du temps de cuisson ainsi que des conditions de refroidissement.

Organisation du m´

emoire

Ce m´

emoire comporte quatre chapitres. Le premier chapitre passe en revue la litt´

erature

qui couvre principalement les m´

ethodes de mise en forme et de caract´

erisation, ainsi que

les outils statistiques, mis en œuvre dans le cadre du projet. Un second chapitre d´

ecrit la

d´

emarche appliqu´

ee pour la r´

ealisation de l’ensemble du travail de recherche. Le troisi`

eme

chapitre pr´

esente un article sur les diﬀ´

erentes ´

etudes portant sur l’homog´

en´

eit´

e du m´

elange,

la distribution de temp´

erature dans le moule, et la m´

ethode de refroidissement des pi`

eces

apr`

es moulage. Le quatri`

eme chapitre est ´

egalement un article pr´

esentant la m´

ethodologie et

les r´

esultats de l’´

etude d’inﬂuence des param`

etres intervenant lors du moulage par injection.

Finalement, le cinqui`

eme chapitre consiste en une discussion g´

en´

erale sur l’ensemble des

r´

esultats du projet.

(18)

CHAPITRE 2

REVUE DE LITT´

ERATURE

Cette revue de litt´

erature contient cinq sections qui ont pour objet d’introduire les

dif-f´

erentes notions n´

ecessaires `

a la compr´

ehension du projet global. Dans un premier temps,

une pr´

esentation des isolateurs passifs ´

etudi´

es dans ce m´

emoire sera eﬀectu´

ee. Ces isolateurs

´

etant constitu´

es d’´

elastom`

ere, les deux sections suivantes seront consacr´

ees `

a ce mat´

eriau,

ses propri´

et´

es et m´

ethodes de caract´

erisation existantes. Par la suite, une quatri`

eme section

s’´

evertuera `

a d´

ecrire les diﬀ´

erentes ´

etapes du proc´

ed´

e de fabrication de pi`

eces en ´

elastom`

ere.

Finalement, une pr´

esentation de la m´

ethode statistique d’optimisation de proc´

ed´

e appliqu´

ee

dans le cadre du projet sera faite dans la derni`

ere section.

2.1 Les isolateurs passifs de vibration

Figure 2.1 Exemple de g´

eom´

etrie de supports de moteur [36]

Les isolateurs de vibration, de par leur nom, ont pour fonction d’isoler un syst`

eme des

sources de vibrations pr´

esentes dans son environnement. De nombreux mod`

eles possibles

d’isolation existent selon le syst`

eme vibratoire concern´

e, mais les isolateurs dits passifs sont

largement employ´

es en raison de leur faible coˆ

ut. En eﬀet, leur utilisation ne n´

ecessite pas

de sources d’´

energie externe, impliquant ainsi peu d’entretien. Les isolateurs ´

etudi´

es dans ce

m´

emoire sont faits en ´

elastom`

ere dont les caract´

eristiques visco´

elastiques assurent la

fonc-tion d’isolafonc-tion. Le mat´

eriau est par ailleurs chimiquement li´

e `

a des inserts m´

etalliques qui

permettent de placer l’isolateur entre le syst`

eme vibrant et la structure `

a isoler. Cette

com-binaison simple permet `

a ce type d’isolateurs d’avoir des g´

eom´

etries tr`

es vari´

ees comme cela

peut ˆ

etre observ´

e aux exemples de la ﬁgure 2.1.

(19)

Les isolateurs passifs agissent principalement en modiﬁant la masse, la raideur et

l’amortis-sement d’un syst`

eme. Les principales propri´

et´

es permettant de caract´

eriser leur performance

sont les raideurs statiques et dynamiques, et le facteur de perte [48] :

– la raideur statique K

s

renseigne sur l’aptitude `

a supporter le poids de la structure sous

laquelle est ﬁx´

e l’isolateur.

– la raideur dynamique K

d

informe sur la capacit´

e de l’isolateur `

a supporter ce mˆ

eme

poids mais pour diﬀ´

erentes conditions d’excitation vibratoire de la structure.

– le facteur de perte η qualiﬁe directement l’eﬀet d’amortissement d’un isolateur en

four-nissant la quantit´

e d’´

energie pouvant ˆ

etre dissip´

ee sur une plage de fr´

equences

d’exci-tation donn´

ee.

Les isolateurs utilis´

es dans les v´

ehicules r´

ecr´

eatifs sont plac´

es entre le moteur, source

de vibration, et le chˆ

assis du v´

ehicule. Aﬁn de garantir un niveau de confort ´

elev´

e pour

le passager, la conception de tels isolateurs requiert la combinaison de diﬀ´

erents facteurs.

Plusieurs isolateurs ´

etant utilis´

es par v´

ehicule, un positionnement et une orientation ad´

equate

doivent ˆ

etre rigoureusement choisie en fonction du syst`

eme d’application des forces mis en jeu

lors de l’utilisation du v´

ehicule [36]. L’isolateur doit poss´

eder des caract´

eristiques de raideur

et amortissement adapt´

ees aﬁn de minimiser la transmission des forces vibratoires dans des

directions d’application donn´

ees. Une g´

eom´

etrie optimale doit donc ˆ

etre choisie permettant

de s’adapter ais´

ement `

a la structure du v´

ehicule tout en minimisant la transmissibilit´

e des

eﬀorts [38]. Et c’est le rˆ

ole du mat´

eriau en ´

elastom`

ere constituant l’isolateur de remplir cette

derni`

ere fonction. Les caract´

eristiques des ´

elastom`

eres seront pr´

esent´

ees plus en d´

etail dans

la section suivante aﬁn de donner une id´

ee plus claire sur l’origine de leur comportement

visco´

elastique si bien adapt´

e pour des usages d’isolation vibratoire.

2.2 Les ´

elastom`

eres

2.2.1 Les familles de polym`

eres

Les ´

elastom`

eres constituent l’une des trois principales familles de polym`

eres, les deux

autres ´

etant les thermoplastiques et les thermodurcissables. Ces trois familles se distinguent

par leurs propri´

et´

es physiques tr`

es disparates qui sont directement li´

ees `

a une organisation

diﬀ´

erente de leurs chaˆınes macromol´

eculaires [23]. Les thermoplastiques sont constitu´

es de

macromol´

ecules lin´

eaires dont la coh´

esion est assur´

ee par des liaisons faibles (voir ﬁgure

2.2) qui peuvent facilement se rompre lors d’une augmentation de temp´

erature. Cela octroie

un comportement plastique r´

eversible permettant le recyclage du mat´

eriau. Les

thermodur-cissables, quant `

a eux, pr´

esentent un r´

eseau de macromol´

ecules reli´

ees entre elles par de

nombreuses liaisons fortes (voir ﬁgure 2.3) qui restreignent le mouvement des chaˆınes les

(20)

unes par rapport aux autres. Ils se caract´

erisent ainsi par une rigidit´

e ´

elev´

ee et un faible

al-longement ´

elastique. Les ´

elastom`

eres, ﬁnalement, sont constitu´

es par un ensemble de chaˆınes

lin´

eaires rattach´

ees les unes aux autres par quelques pontages atomiques (par exemple r´

eali-s´

es avec un atome de soufre) (voir ﬁgure 2.4). Le faible taux de r´

eticulation permet de garder

des chaˆınes souples qui conf`

erent au mat´

eriau ses propri´

et´

es hyper´

elastiques avec des taux

d’´

elongation pouvant atteindre 1000%. Ce comportement ´

elastique est par ailleurs r´

eversible,

chaque noeud de r´

eticulation constituant une cellule m´

emoire de la d´

eformation du mat´

eriau.

Figure 2.2 Mol´

ecule

rami-ﬁ´

ee [23]

Figure 2.3 Mol´

ecule fortement

r´

eticul´

ee [23]

Figure 2.4 Mol´

ecule

faible-ment r´

eticul´

ee [23]

2.2.2 Caract´

eristiques des ´

elastom`

eres

La vulcanisation

Tout polym`

ere doit passer par une phase de polym´

erisation pendant laquelle les chaˆınes

mol´

eculaires s’agencent entre elles en cr´

eant des liens, permettant ainsi de donner au polym`

ere

sa forme ﬁnie. Dans le cas des ´

elastom`

eres, ce processus chimique se nomme la vulcanisation

et consiste `

a ”cuire” l’´

elastom`

ere `

a une certaine temp´

erature pendant un temps pr´

e´

etabli

cr´

eant des noeuds de r´

eticulation entre un agent de vulcanisation, par exemple des atomes de

soufre, et les chaˆınes macromol´

eculaires de l’´

elastom`

ere. Un param`

etre caract´

eristique de la

vulcanisation est le degr´

e de polym´

erisation qui correspond au nombre de groupes d’atomes

par mol´

ecule. Son amplitude informe donc sur la longueur de la mol´

ecule. Plus le degr´

e de

polym´

erisation est ´

elev´

e, plus la mol´

ecule est longue, et plus un ´

elastom`

ere sera r´

esistant

`

a la traction et aura des propri´

et´

es m´

ecaniques int´

eressantes. Ce ph´

enom`

ene est optimal

lorsque la polym´

erisation est compl`

ete, c’est-`

a-dire lorsque toutes les chaˆınes ont ´

et´

e reli´

ees

entre elles. Un autre param`

etre caract´

erique est le taux de r´

eticulation qui informe sur le

nombre de pontage cr´

e´

es. Il joue ainsi sur la souplesse de l’´

elastom`

ere et sa capacit´

e ﬁnale

d’allongement. En eﬀet, un faible taux de r´

eticulation implique une plus grande ´

elasticit´

e.

Mais l’´

etape de vulcanisation n’est pas seule origine des propri´

et´

es ﬁnales d’un ´

elastom`

ere.

La formulation chimique de ce dernier tient ´

egalement une place importante. En eﬀet, un

(21)

´

elastom`

ere non vulcanis´

e est non seulement compos´

e de caoutchouc et d’un agent de

vulca-nisation, mais ´

egalement de constituants vari´

es qui jouent tous un rˆ

ole, soient en facilitant

le m´

elangeage des ingr´

edients ensemble (ex. plastiﬁants), ou bien en am´

eliorant l’eﬃcacit´

e et

la rapidit´

e du processus de vulcanisation (acc´

el´

erateurs et activateurs), ou encore en am´

elio-rant les performances et r´

esistances de l’´

elastom`

ere cuit (charges et stabilisants) [23]. Ainsi,

l’ajout d’additifs d’une part, mais ´

egalement l’application d’une temp´

erature ´

elev´

ee sont des

moyens pour faciliter l’obtention d’une vulcanisation compl`

ete du mat´

eriau et lui octroyer

des propri´

et´

es recherch´

ees, le comportement m´

ecanique d’un ´

elastom`

ere r´

esultant en grande

partie de la mobilit´

e de ses mol´

ecules.

Le comportement m´

ecanique d’un ´

elastom`

ere

Selon la temp´

erature caract´

eristique `

a laquelle se trouve l’´

elastom`

ere, celui-ci peut pr´

e-senter trois ´

etats distincts (Cf. ﬁgure 2.5) [23].

– A basse temp´

erature, les mol´

ecules du mat´

eriau se trouvent dans un ´

etat ﬁg´

e dit vitreux

similaire aux thermoplastiques. La mobilit´

e mol´

eculaire est tr`

es faible, le module ´

elev´

e

et la th´

eorie des petites d´

eformations peut s’appliquer.

– Lorsque la temp´

erature augmente, la mobilit´

e mol´

eculaire augmente et l’´

elastom`

ere

rentre dans un ´

etat transitoire o`

u le module chute. On observe un ramollissement du

mat´

eriau dans cette plage dite de transition vitreuse qui permet le passage entre deux

´

etats thermodynamiques. Dans cette phase de transition, le mat´

eriau pr´

esente un

com-portement visco´

elastique ´

elev´

e. Lors de l’application d’une contrainte, un d´

ephasage

d’angle δ se produit dans la d´

eformation induite. Ce d´

ephasage repr´

esente les pertes

m´

ecaniques caus´

ees par le frottement interne des mol´

ecules sous l’eﬀet d’une

sollicita-tion. On peut alors d´

eﬁnir le facteur de perte tan(δ) caract´

eristique de l’eﬀet amortissant

du mat´

eriau. Ce param`

etre atteint par ailleurs son maximum `

a la temp´

erature T

α

de

re-laxation principale (Cf. Figure 2.6) qui elle va d´

ependre de la fr´

equence d’une excitation

cyclique appliqu´

ee sur le mat´

eriau. En eﬀet, on observe que si la fr´

equence augmente,

T

α

augmente ´

egalement. Cet aspect est donc important lors de l’´

etablissement de la

formulation de l’´

elastom`

ere utilis´

e dans les supports de moteur. En eﬀet, il s’agit de

formuler un m´

elange qui pour une certaine plage de fr´

equences donn´

ees, se trouvera

dans sa plage de transition vitreuse o`

u aura donc lieu le maximum de dissipation et le

plus grand amortissement.

– Lorsque la temp´

erature est ´

elev´

ee, l’´

elastom`

ere adopte un ´

etat dit caoutchoutique. La

mobilit´

e mol´

eculaire est ´

elev´

ee et le module est faible. L’´

elastom`

ere peut atteindre de

larges d´

eformations jusqu’`

a 1000% sa longueur initiale sous de faibles contraintes. La

th´

eorie de l’hyper´

elasticit´

e s’applique.

(22)

macromol´

eculles du polym`

ere se rompent et celui-ci se d´

esagr`

ege.

Figure 2.5 Evolution du module ´

elastique d’un caoutchouc avec la temp´

erature (adapt´

ee de

[24])

Module élastique Coefficient de perte Tem perature M o d u l e é l a s t i q u e T Transition vitreuse Etat caoutchoutique Etat f igé T g C o e f f i ci e n t d e p e r t e

Figure 2.6 Evolution du facteur de perte avec la temp´

erature (adapt´

ee de [24])

2.3 Mise en forme de pi`

eces en ´

elastom`

ere

Le proc´

ed´

e de mise en forme de pi`

eces en ´

elastom`

ere met en jeu de nombreuses ´

etapes

qui aﬀectent la structure macromol´

eculaire d’un ´

elastom`

ere et donc son comportement m´

(23)

e-canique ﬁnal. Cette section a donc pour objet de d´

emontrer la complexit´

e de ce processus de

fabrication.

2.3.1 Formulation du m´

elange

La premi`

ere phase dans la production d’une pi`

ece en ´

elastom`

ere est l’´

etablissement de

la liste des diﬀ´

erents ingr´

edients constitutifs du m´

elange ainsi que leur dosage respectif [19].

Le fait de m´

elanger un ´

elastom`

ere `

a d’autres composants a non seulement pour objectif

d’am´

eliorer ses propri´

et´

es, mais ´

egalement sa transformation en permettant une vulcanisation

plus rapide. Une r´

eduction de coˆ

ut est ´

egalement escompt´

ee car il n’est pas n´

ecessaire de

synth´

etiser un nouvel ´

elastom`

ere atteignant les propri´

et´

es recherch´

ees.

L’´

etape de formulation n´

ecessite une connaissance pr´

ealable de l’eﬀet de chaque ingr´

edient

sur le m´

elange ﬁnal. Un certain nombre de tests essai-erreur sont ´

egalement n´

ecessaires pour

ﬁxer les param`

etres de vulcanisation principaux (temp´

erature et temps) permettant d’obtenir

un produit avec des propri´

et´

es sp´

eciﬁques [5, 26]. Ces nombreux tests permettent par ailleurs

de mieux connaˆıtre l’eﬀet des diﬀ´

erents composants sur les propri´

et´

es d’un polym`

ere et ainsi

promulguer leur utilisation pour une application type. Mais en raison de la complexit´

e du

processus de r´

eticulation, il est important de choisir un dosage et des ingr´

edients compatibles.

En eﬀet, la combinaison d’´

el´

ements incompatibles peut engendrer l’eﬀet inverse que celui

escompt´

e et observ´

e avec les composants seuls.

2.3.2 Fabrication du m´

elange

`

A partir de la formulation pr´

e-´

etablie, les diﬀ´

erents ingr´

edients sont dos´

es puis m´

elang´

es

en deux phases[20]. D’abord, les principaux composants (caoutchouc, charges, plastiﬁants,

additifs) sont travaill´

es par un rotor dans la chambre d’un m´

elangeur interne (Cf. Figure

2.7). Le caract`

ere rh´

eoﬂuidiﬁant de l’´

elastom`

ere diminue sa viscosit´

e lors de son cisaillement,

mais engendre une augmentation de temp´

erature qu’il est n´

ecessaire de contrˆ

oler aﬁn de

rester `

a une temp´

erature en-de¸c`

a de 120

◦

C. Ensuite, `

a la sortie du pr´

ec´

edent m´

elangeur, le

m´

elange passe dans un m´

elangeur externe `

a rouleaux (Cf. Figure 2.8) qui a l’avantage de

pouvoir travailler le m´

elange `

a des temp´

erature plus basses inf´

erieures `

a 80

◦

C, ce qui permet

d’incorporer les agents curatifs au m´

elange en limitant ainsi le risque d’une vulcanisation

pr´

ematur´

ee.

Il est `

a noter que des erreurs de dosage, une malfonction interne `

a un m´

elangeur peuvent

ˆ

etre `

a l’origine de variations au sein d’un mˆ

eme m´

elange. Un rem´

elangeage peut s’av´

erer alors

n´

ecessaire avec le rajout d’un composant dans le cas o`

u les propri´

et´

es sont trop basses. Dans

le cas contraire, le m´

elange pourrait ˆ

etre utilis´

e pour un autre type d’application aﬁn d’´

eviter

d’avoir `

a le jeter.

(24)

Figure 2.7 M´

elangeur interne

(25)

2.3.3 Le moulage

Cavit´

e

Moule

Boudineuse

M´

elange brut

Piston

Buses

d’injection

Figure 2.9 Le moulage par injection

Il existe trois diﬀ´

erentes m´

ethodes de moulage [20], par compression, par transfert ou par

injection, qui dans chaque cas donne une forme d´

eﬁnitive au caoutchouc en vulcanisant le

m´

elange plac´

e sous pression dans les cavit´

es d’un moule chaud.

Le proc´

ed´

e de moulage par injection dont traite ce m´

emoire (Cf. Figure 2.9), est le plus r´

ecent

et le plus populaire. En eﬀet, disposant d’un syst`

eme d’injection automatis´

e, il garantit `

a la

fois une plus grande productivit´

e pour une meilleure homog´

en´

eit´

e des pi`

eces, et permet de

mouler des pi`

eces de g´

eom´

etrie plus complexe. Les moulages par compression ou par

trans-fert sont appliqu´

es pour mouler des pi`

eces n´

ecessitant un temps de vulcanisation long, ou

bien des op´

erations complexes d’assemblage (par exemple dans le cas des pneus).

L’utilisa-tion de m´

elanges contenant des colorants est ´

egalement inadapt´

ee `

a un syst`

eme de moulage

par injection car salissant et requ´

erant un temps de nettoyage long du syst`

eme d’injection.

N´

eanmoins, bien que plus automatis´

e que ses pr´

ed´

ecesseurs, le moulage par injection requiert

tout de mˆ

eme une combinaison d’op´

erations manuelles et automatiques pr´

esent´

ees ci-apr`

es.

Le m´

elange d’´

elastom`

ere brut est, dans un premier temps, ins´

er´

e manuellement dans une

vis boudineuse qui va plastiﬁer le m´

elange, le guidant vers la chambre d’attente du piston.

Pr´

ealablement avant injection, un op´

erateur ouvre le moule et lubriﬁe ses cavit´

es, avant d’y

placer des inserts m´

etalliques. Le moule est alors referm´

e. Apr`

es v´

eriﬁcation des capteurs

de temp´

erature du moule, l’injection est lanc´

ee. L’op´

eration d’injection dans le moule et de

cuisson des pi`

eces se d´

eroule selon les diﬀ´

erents param`

etres machine et de vulcanisation (d´

e-bit d’injection, temp´

erature et temps de cuisson...) pr´

e´

etablis. Lorsque le temps de cuisson

des pi`

eces est atteint, le moule s’ouvre automatiquement, et les pi`

eces chaudes sont retir´

ees

(26)

manuellement. De nouveaux inserts sont install´

es, et un nouveau cycle peut commencer.

Selon la taille et le type de pi`

eces `

a fabriquer, les moules peuvent avoir des formes et un

nombre de cavit´

es tr`

es divers. Plus la pi`

ece sera ´

epaisse et complexe, plus le moule sera gros

et subdivis´

e en plusieurs parties, impliquant un contrˆ

ole d´

elicat de la distribution de temp´

era-ture dans les cavit´

es du moule. En eﬀet, le transfert thermique requiert un certain temps pour

que la temp´

erature se stabilise au centre des pi`

eces par rapport `

a leur couche externe. Les

diﬀ´

erentes op´

erations mises en jeu lors du processus de moulage par injection peuvent ˆ

etre `

a

l’origine de variations importantes dans les propri´

et´

es ﬁnales de pi`

eces en ´

elastom`

ere. Dans

l’optique de r´

eduire cette variabilit´

e, diﬀ´

erents travaux [43, 45] ont investigu´

e les possibilit´

es

d’am´

eliorer d’une part la conception des machines de moulage (optimisation du syst`

eme de

boudinage et d’injection de l’´

elastom`

ere brut), et d’autre part le contrˆ

ole du processus de

moulage (optimisation du syst`

eme de r´

egulation de la temp´

erature).

2.3.4 Le refroidissement

Il existe, `

a quelques variantes pr`

es, trois m´

ethodes de refroidissement possibles :

– Le refroidissement `

a l’eau est le plus eﬃcace car il permet un refroidissement rapide

et uniforme. Il consiste `

a faire refroidir les produits dans un grand bac d’eau froide.

Peu utilis´

e en production en raison des contraintes de temps et de logistique li´

es au

s´

echage de pi`

eces moul´

ees, il est par contre syst´

ematiquement appliqu´

e pour refroidir

les m´

elanges frais suite `

a l’´

etape de m´

elangeage [20].

– Le refroidissement `

a l’air ambiant est normalement pr´

econis´

e pour les ´

echantillons

utili-s´

es dans le cadre de tests de qualiﬁcation ou de d´

eveloppement [27]. Il est g´

en´

eralement

eﬀectu´

e en laissant refroidir les pi`

eces ou ´

echantillons sur une surface en m´

etal dont le

coeﬃcient de conductivit´

e thermique ´

elev´

e permet d’´

evacuer rapidement la chaleur.

– Dans le cas de requis de production rapide de pi`

eces, ces derni`

eres sont directement

plac´

ees dans leurs boˆıtes de livraison apr`

es moulage. Cela pose des incertitudes sur les

conditions de refroidissement r´

eellement subies et leurs cons´

equences sachant que la

temp´

erature de refroidissement a un eﬀet sur les propri´

et´

es m´

ecaniques des pi`

eces [32].

2.4 M´

ethodes de caract´

erisation des ´

elastom`

eres

Rh´

eologie

De nombreux tests existent pour caract´

eriser le m´

elange d’´

elastom`

ere, mais aussi la pi`

ece

vulcanis´

ee [7]. Le test de rh´

eologie est le tout premier test eﬀectu´

e sur un nouveau m´

elange

[11] car il permet de valider rapidement si oui ou non le m´

elange pr´

esente les propri´

et´

es

re-cherch´

ees ainsi qu’une vulcanisation ad´

equate avec les param`

etres de cuisson choisis.

(27)

Ce test est r´

ealis´

e `

a partir d’un petit ´

echantillon de m´

elange cru (environ 4.5cm

3

) plac´

e dans

une cavit´

e entre deux matrices, l’une ´

etant mobile, capable d’osciller `

a une fr´

equence et une

amplitude (angle de d´

eformation) souhait´

ees (Cf. Figure 2.10). Pendant tout le test, la cavit´

e

est maintenue `

a une temp´

erature de vulcanisation pr´

ed´

eﬁnie (avec une variation autoris´

ee de

±3

◦

_{C). La d´}

_{eformation cyclique en torsion engendre un couple qui lui d´}

_{epend des propri´}

_et´

_es

visco´

elastiques de l’´

echantillon. Le module de cisaillement du mat´

eriau est alors directement

d´

eduit du couple mesur´

e `

a partir de la g´

eom´

etrie de la cavit´

e ainsi que de l’amplitude de la

d´

eformation appliqu´

ee.

Figure 2.10 Sch´

ema de la cavit´

e d’un rh´

eom`

etre `

a matrices biconiques

0 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 M o d u l e d e ci sa i l l e m e n t ( kP a ) Temps (min) Module élastique Module de perte

Figure 2.11 ´

Evolution du module ´

elastique lors de la vulcanisation

L’´

evolution du module au cours du temps (Cf. ﬁgure 2.11) informe sur l’´

etat de la

vulca-nisation. Au d´

ebut du test, le taux de r´

eticulation est faible, les chaˆınes glissent et frottent

(28)

les unes sur les autres, et il y a peu de r´

esistance `

a la d´

eformation. Le module ´

elastique G

′

qui repr´

esente l’´

energie utilis´

ee pendant un cycle de d´

eformation est donc faible, tandis que le

module de perte G” caract´

erisant les pertes ´

energ´

etiques par dissipation de chaleur est ´

elev´

e.

Un accroissement du module ´

elastique, et inversement une baisse du module de perte, traduit

une augmentation du taux de r´

eticulation en raison d’une plus grande r´

esistance `

a la d´

efor-mation. La vulcanisation est consid´

er´

ee r´

eellement d´

ebut´

ee d`

es l’apparition du premier point

d’inﬂexion de la courbe d’´

evolution du module. Ensuite, lorsqu’un second point d’inﬂexion

se produit, cela indique que presque tous les pontages entre les atomes de l’agent de

vulcani-sation et les mol´

ecules du polym`

ere ont ´

et´

e form´

es. La vulcanisation est consid´

er´

ee ad´

equate

lorsque le module ´

elastique se trouve `

a 90% de la valeur plateau succ´

edant ce second point

d’inﬂexion. Une temp´

erature trop faible ou trop ´

elev´

ee, un manque d’agent de vulcanisation

sont tous des facteurs qui peuvent s’observer directement par l’´

evolution du module (absence

de points d’inﬂexion, baisse du module ´

elastique, etc.).

Tests m´

ecaniques

Grippe

ﬁxe

Extensom`

etre

´

Eprouvette en

extension

Grippe

mobile

Figure 2.12 Test de tension avec extensom`

etre

D’autres tests permettent de caract´

eriser m´

ecaniquement un m´

elange vulcanis´

e. Un test

de duret´

e `

a l’aide d’un durom`

etre renseigne sur sa rigidit´

e, tandis qu’un test de traction

sur tensiom`

etre [9] permet d’obtenir les propri´

et´

es hyper´

elastiques (force et allongement `

a

la rupture) d’un m´

elange. Ce dernier cas utilise des ´

eprouvettes standard en forme d’halt`

ere

qui sont d´

ecoup´

ees dans une feuille de m´

elange pr´

ealablement moul´

ee. L’´

eprouvette est alors

(29)

ﬁx´

ee par ses extremit´

es aux mors du tensiom`

etre, l’un des deux ´

etant mobile permettant

l’extension de l’´

eprouvette (Cf. ﬁgure 2.12). Un extensom`

etre est plac´

e autour de la partie

centrale, plus ﬁne de l’halt`

ere, aﬁn de mesurer l’allongement en fonction de la force de tension

appliqu´

ee. La contrainte en tension peut alors ˆ

etre d´

eduite `

a partir de la section centrale de

l’´

eprouvette et de la force mesur´

ee par la cellule de charge du tensiom`

etre.

Aﬁn d’´

evaluer la r´

esistance `

a un environnement diﬃcile, pour citer un exemple, des tests

de r´

emanence en compression [8] sont eﬀectu´

es sur un m´

elange pr´

econditionn´

e. Il s’agit de

maintenir en compression pendant un temps et une temp´

erature pr´

ed´

eﬁnis un ´

echantillon de

m´

elange pr´

ealablement moul´

e. La d´

eformation r´

esiduelle est par la suite mesur´

ee apr`

es relˆ

a-chement complet du mat´

eriau. La r´

emanence en compression est obtenue comme la diﬀ´

erence

entre les ´

epaisseurs originelles et r´

esiduelles.

Il est possible de mesurer les propri´

et´

es statiques et dynamiques des pi`

eces vulcanis´

ees

(isolateurs) en eﬀectuant des essais m´

ecaniques `

a l’aide d’une machine de caract´

erisation

servo-hydraulique MTS [10].

Un outillage d’essai en deux parties est pr´

ealablement con¸cu et fabriqu´

e pour une g´

eo-m´

etrie de pi`

ece test´

ee. Il permet de monter celle-ci entre les deux bras de la MTS (Cf. ﬁgure

2.13), l’un ´

etant mobile comme dans le cas du tensiom`

etre. La partie ﬁxe de l’outillage est

g´

en´

eralement massive de raideur beaucoup plus ´

elev´

ee que celle de la pi`

ece `

a tester aﬁn de ne

pas bruiter les mesures. `

A l’oppos´

e, la partie de l’outillage reli´

ee au bras mobile de la MTS

doit ˆ

etre simple et capable de transmettre sans perte la d´

eformation impos´

ee `

a la pi`

ece.

cellule de

charge

Pi`

ece test´

ee

Bras sup´

erieur

ﬁxe

Outillage

de test

Bras inf´

erieur

mobile

(30)

`

A partir d’un pilotage en force ou en d´

eplacement, des cycles de contrainte-d´

eformation

peuvent alors ˆ

etre appliqu´

es sur la pi`

ece, accompagn´

es d’une sollicitation en fr´

equence si

souhait´

ee aﬁn d’observer le comportement dynamique de la pi`

ece. Les propri´

et´

es statiques ou

dynamiques (raideurs, amortissement) peuvent alors ˆ

etre d´

eduites g´

eom´

etriquement `

a partir

des cycles hyst´

er´

esis mesur´

es. La raideur statique ou dynamique correspond simplement au

rapport entre l’amplitude de la force F et l’amplitude de la d´

eformation d ou excitation

correspondante. Les cycles peuvent pr´

esenter un comportement lin´

eaire ou non-lin´

eaire. De

ce fait, plusieurs m´

ethodes existent pour ´

evaluer g´

eom´

etriquement les raideurs selon la fa¸con la

plus adapt´

ee `

a la forme du cycle. Par exemple, dans le cas de cycles lin´

eaires de forme r´

eguli`

ere

et sym´

etrique, la raideur peut ˆ

etre calcul´

ee comme la moyenne des pentes de deux droites

tangentes de part et d’autres du cycle (Cf. ﬁgure 2.14). Dans le cas de cycles non-lin´

eaires ou

asym´

etriques, l’utilisation de droites s´

ecantes peut ˆ

etre envisag´

ee aﬁn de connaˆıtre la raideur

en une partie restreinte du cycle (Cf. ﬁgure 2.15). Dans ce cas, les points d’intersection des

droites sont choisis aﬁn d’obtenir la meilleure repr´

esentation possible de la pente moyenne de

la partie du cycle ´

etudi´

ee. Le choix des points ´

etant tr`

es subjectif, une erreur sur la mesure

doit donc ˆ

etre escompt´

ee par rapport `

a la valeur r´

eelle du module. Mais il est important que

ce choix reste d´

eﬁnitif pour toutes les campagnes de tests eﬀectu´

ees sur la mˆ

eme g´

eom´

etrie de

pi`

ece aﬁn de conserver une base comparative. L’´

evaluation du coeﬃcient de perte est d’autant

plus complexe qu’elle n´

ecessite une int´

egration de l’aire W du cycle aﬁn d’obtenir l’´

energie

dissip´

ee pendant un cycle de d´

eformation. Le coeﬃcient de perte η peut alors se d´

eduire en

utilisant l’´

equation 2.1. L’aire du cycle est g´

en´

eralement ´

evalu´

ee par triangulation. De mˆ

eme

que pr´

ec´

edemment, la position et le nombre de points de triangulation choisis rendent la

pr´

ecision de la mesure diﬃcile.

η = tan(arcsin(

W

πF d

))

(2.1)

2.5 M´

ethodes d’optimisation de proc´

ed´

es

L’optimisation de proc´

ed´

es est aujourd’hui devenue une ´

etape incontournable au sein de

l’industrie aﬁn de rester comp´

etitif. C’est un domaine qui s’attache `

a minimiser le coˆ

ut d’un

produit tout en maximisant la performance. De nombreuses m´

ethodologies ont ´

et´

e d´

evelop-p´

ees permettant d’acqu´

erir une connaissance approfondie d’un proc´

ed´

e de fabrication tout en

faisant appel `

a diﬀ´

erents outils statistiques et num´

eriques menant `

a son optimisation [51]. La

m´

ethodologie des plans d’exp´

erience a largement fait ses preuves au sein de l’industrie dans

ce domaine et a donc ´

et´

e mis en oeuvre lors de la r´

ealisation du projet de maˆıtrise.