Modélisation physique, simulation numérique et investigation expérimentale de l’estampage à chaud des polymères thermoplastiques amorphes

Gang CHENG

Titre : Modélisation physique, simulation numérique et investigation expérimentale de l’estampage à chaud des polymères thermoplastiques amorphes Résumé : Deux types de méthode de caractérisation des comportements des polymères thermoplastiques amorphes ont été utilisés dans ce travail: analyse mécanique dynamique (DMA) et l’essai de compression uniaxiale statique. Le comportement du polymère PMMA dans une plage de température d’estampage à chaud (Tg + 20 °C à Tg + 40 °C) a été identifié avec un modèle de Maxwell Généralisé et un modèle élastique-viscoplastique. Les paramètres des modèles ont été identifiés par rapport des données expérimentales et un bon accord a été atteint. Deux modèles ont été créés pour réaliser la simulation du procédé d'estampage à chaud avec la méthode des éléments finis. L'un est un modèle axisymétrique en 2D avec la hauteur de cavité 50 µm pour analyser la déformation des polymères amorphes à l'étape de remplissage. Un autre est un modèle en 3D avec la forme micro-fluidique pour étudier l'effet des paramètres de micro indentation. Les résultats de simulation sont encourageants pour la poursuite du développement dans le procédé d’estampage à chaud dans la gamme de nano. Les dispositifs micro-fluidiques ont été élaborés par le procédé d’estampage à chaud en utilisant la presse de l’injection/compression horizontal, qui n'a jamais été réalisé dans notre groupe de recherche. L’outillage métallique complet de compression, y compris le système de chauffage, le système de refroidissement, le système d'éjection et le système de vide a été conçu et fabriqué. Le profilomètre optique 3D a été utilisé pour mesurer la dimension des microcavités et la rugosité de surface à la fois de l’insert du moule et des dispositifs micro-fluidiques. La taille minimale de la cavité est d'environ 50 µm. Mots-clés : polymère, amorphe, estampage, viscoélastique, viscoplastique, modélisation, simulation, micro-fluidique

Title : Physical modelling, numerical simulation and experimental investigation of hot embossing process with the amorphous thermoplastic polymers Abstract : Two kinds of characterization method for the amorphous thermoplastic polymers have been used in this thesis: dynamic mechanical analyse (DMA) and static uniaxial compression test. The polymer PMMA’s physical behaviour in hot embossing temperature range (Tg + 20 °C to Tg + 40 °C) has been identified with a Generalized Maxwell model and an elastic-viscoplastic model. The parameters in the models have been obtained by the experimental data and a proper agreement has been achieved. Two models have been created in order to achieve the simulation of hot embossing process with the finite element method. One is 2D axisymmtric model with the height of micro cavity eq. to 50 µm to analyse the deformation of amorphous polymers in filling step. Another is 3D model with the microfluidic mould die cavity to investigate the effect of processing parameters in micro indentation process. The simulation results are encouraging for the further development in the nano embossing process. The microfluidic devices have been elaborated by hot embossing process using horizontal injection/compression moulding equipment, which has never been realized in our research group. A complete metallic compression mould tool, including heating system, cooling system, ejection system and vacuum system has been designed and fabricated. The 3D optical profilometer has been used to measure the dimension of micro cavities and the surface roughness of both the mould die insert and microfluidic devices. The minimum size of the cavity is about 50 µm. Keywords : polymer, amorphous, embossing, viscoelastic, viscoplastic, modelling, simulation, microfluidic