Modèle thermomécanique 3D d'un matériau à gradient de propriétés à l'aide de techniques multigrilles : application aux moules d'injection de polymères
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Surface treatments cover a wide range of processes and treatments. Their aim is to increase life and operating performances of engineering materials by giving surfaces specific mechanical, thermal, and chemical properties. The task of determining which type of coating (material, thickness, and deposition process) is optimal is a complicated task. Optimizing a coating for a specific application requires bringing together knowledge from very different disciplines: physics, structural mechanic, surface chemistry, etc. This makes the development and selection of treatment a complex and costly task. It can only be undertaken with a recursive method, which includes experimental procedures and numerical calculations. The current work aims at developing a 3D thermo-mechanical model for functionally graded materials (FGM). Such materials are commonly used to protect surfaces from tribological damages. They may be either coating materials or interface regions between successive coatings with varying properties. The model is based on second order Finite Difference (FD) formulation of the thermal and elasticity equations in a non-homogeneous solid. It can handle any kind of depth dependence of the material properties. Multigrid techniques and local refinement strategies have been implemented to accelerate the convergence, reduce CPU time and thus permit the use of fine grids to accurately describe the variation in the material properties. Specific numerical techniques are used to guaranty an optimal convergence rate of the numerical technique even in the most severe cases. One application of this work is the analysis of the effect of different prospective coatings in polymer injection molding. The aim is to increase the mold life by protecting the surface and avoid the development of surface damages due to the process. An approximate model is developed for the thermal and mechanical conditions to which the coating is exposed in the different phases of the process. This study is completed with experimental methods that were used to characterize the coating properties. Finally, a simplified model is used to complete the results obtained using the time dependant analysis. It helps understanding the thermo-mechanical coupling and stress calculated in the prospective coatings to determine the most appropriate treatment for this application.
Abstract FR:
La notion de traitement de surface recouvre un grand nombre de procédés et de gammes de traitements. Leur objectif est de donner à la surface traitée d'une pièce des propriétés physico-chimiques, mécaniques ou géométriques particulières afin de la protéger des agressions extérieures tout en conservant les propriétés en volume de la pièce. Ce travail a pour but d'enrichir les modélisations existantes et de développer un modèle innovant en proposant une description englobant les traitements de surface dans leur ensemble. De ce fait il est alors nécessaire de prendre en compte une variation continue et quelconque des propriétés mécaniques et thermiques dans l'épaisseur du matériau. Nous avons développé un modèle thermoélastique 3D basé sur les équations de Lamé généralisées et l'équation de la conduction dans un solide non homogène. Le problème est résolu à l'aide d'une discrétisation aux différences finies du deuxième ordre. Le système linéaire en résultant est traité à l'aide de la méthode itérative de Gauss-Seidel couplée avec les techniques Multigrilles. Des méthodes numériques spécifiques ont été mises en place pour garantir la convergence optimale du solveur même dans les cas les plus sévères (variation de propriétés importantes). L'application visée ici concerne l'amélioration du procédé d'injection des matières plastiques et l'augmentation de la durée de vie des moules avec l'utilisation de traitements à la surface à leur surface. Cette étude a nécessité la mesure des propriétés des différents revêtements sélectionnés et la mise en place d'un modèle d'injection simplifié à partir d'essais sur moule instrumenté. Enfin, une étude utilisant un modèle simplifié à permis d'expliquer l'état de contrainte dans le revêtement et de choisir le traitement le plus approprié en fonction des sollicitations thermomécaniques subies