Soutenance mémoire
L’emballage est actuellement un élément clé de la société moderne. En effet, le consommateur achète de nos jours un produit tout aussi bien pour son contenu, que pour son contenant et ce pour plusieurs raisons. La fonction initiale de l’emballage est la facilité qu’il donne à un fabricant de produit de consommation pour le transporter depuis sa production, jusqu’à son lieu final d’utilisation chez le client. Il vient alors la nécessité d’avoir des propriétés fondamentales comme la maniabilité, la robustesse mais également la protection ainsi que la conservation du contenu.
Description du problème thermique et formulation numérique
Le four infrarouge a pour objectif de chauffer la préforme au-delà de sa température de transition vitreuse soit environ 80°C pour le P.E.T. Concrètement au niveau industriel, il est composé d’une succession de modules simples , ayant chacun pour longueur celle d’une lampe halogène. La préforme passe devant chacun des modules avec une vitesse d’avance et une vitesse de rotation données, permettant ainsi, après réglage, le chauffage de la préforme suivant les critères désirés.
Ces modules sont composés de divers éléments, chacun ayant une fonctionnalité prépondérante sur les transferts thermiques entre les lampes et la préforme. Il en résulte un problème thermique complexe où se mêlent échanges radiatifs et convectifs. L’objet de ce chapitre est d’établir les bases d’une modélisation robuste de ce problème. La base de nos travaux sera en lien étroit avec la thèse de S. Monteix [MON-2001], notamment pour l’utilisation des données expérimentales servant de cas d’étude et de validation à nos développements numériques.
Etude de l’interaction entre le four et la matière
Principe du chauffage par rayonnement infrarouge
Tous les corps émettent un rayonnement électromagnétique. Il s’agit d’un flux de chaleur émis par le corps qui perd donc de ce fait une partie de son énergie interne. Ce rayonnement est composé de longueurs d’ondes différentes dont l’intensité dépend de la température du corps. Il se propage en ligne droite dans le vide, à la vitesse de la lumière, sans atténuation de l’énergie transportée : le vide est dit parfaitement transparent.
La grande majorité des liquides et des solides est « opaque » : la propagation du rayonnement est stoppée dès la surface. Certains liquides et solides comme le verre ou certains plastiques sont semi transparents, la propagation du rayonnement en leur sein s’accompagne d’une diminution de l’énergie transportée (d’où une augmentation de l’énergie interne du milieu traversé). Cependant, il est nécessaire de réaliser un bilan radiatif complet afin de déterminer quelle fraction d’énergie émise par les lampes sera reçue par la préforme.
Description du four
Les lampes halogènes
Elles sont la source du rayonnement. Leur nombre peut varier entre 1 et 9, et leur distance par rapport à la préforme évolue en fonction de la hauteur à laquelle elles se situent. Celles utilisées dans le cadre de cette étude sont des lampes Philips 1000W-235V.
Leurs propriétés sont les suivantes :
• Chauffage instantané : puissance maximale 1 seconde après allumage,
• Economique : plus de 85% de l’énergie consommée est transformée en chaleur infrarouge,
• Possibilité d’atténuation complète : les lampes à infrarouge peuvent être contrôlées avec précision(de 0% à 100%),
• La chaleur peut être focalisée : les lampes à infrarouge ont les mêmes propriétés optiques que les lampes d’éclairage, c’est-à-dire que la chaleur peut être orientée par des réflecteurs,
• Source de chaleur compacte : les lampes à infrarouge ont un faible diamètre (de l’ordre ducentimètre).
Une lampe peut se décomposer en 4 parties :
• Un filament de tungstène doublement spiralé. Il sert à transformer la puissanceélectrique en unepuissance calorifique dissipée dans son milieu environnant. Le tungstène va donc élever satempérature en fonction de la puissance qu’il reçoit et ainsi devenir source de rayonnement.
• Un tube en quartz. Son rôle majeur est d’isoler thermiquement et physiquement le filament de tungstène et d’empêcher son oxydation. Il est de plus transparent ( i.e. non absorbant) au regard des longueurs d’onde infrarouge courtes (IRC) du rayonnement émis par le filament.
• L’argon. Contenu dans le tube en quartz, il limite l’évaporation du tungstène à haute température.
• L’halogène. Mélangé à l’argon en faible quantité, il favorise la formation d’un dépôt à partir de la sublimation du tungstène sur les parties les plus chaudes du filament.
Les réflecteurs
Le rendement d’un four utilisant des lampes halogènes est faible [MON-1998]. En effet, le rapport entre l’énergie calorifique emmagasinée par les préformes sur la durée du chauffage et la puissance électrique consommée par les fours de rayonnement est comprise entre 15 et 17%. Il s’avère néanmoins être le plus efficace pour ce procédé. Afin de l’optimiser au maximum, des sociétés comme Sidel ou Philips Eclairage n’ont de cesse de vouloir focaliser le rayonnement émis par le tungstène en direction de la préforme à chauffer. Elles ont toutes les deux permis d’aboutir à deux types de réflecteur.
Le premier est un réflecteur en céramique. Appliqué comme un dépôt sur la moitié arrière du tube en quartz, il permet de venir réémettre directement vers la préforme l’ensemble du rayonnement émis du côté opposé. Son efficacité a été étudiée et montre que la réflexion créée est de type diffus de par la rugosité du dépôt. De plus, son efficacité est une fonction croissante de la température.
Le second type est un duo de réflecteurs en aluminium. Constitués de deux plaques d’aluminium poli situées à l’arrière des lampes et de l’autre côté de la préforme, ces deux réflecteurs sont considérés comme spéculaires. S. Monteix montre que l’efficacité augmente en moyenne de 68% à 80% pour une puissance d’alimentation égale à 80%.
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Table des matières
Introduction
1. Présentation du contexte
2. Présentation du procédé de mise en forme
3. Les problèmes rencontrés
4. Approches numériques
5. Objectifs de la thèse
Chapitre 1 Description du problème thermique et formulation numérique
1. Etude de l’interaction entre le four et la matière
1.1. Principe du chauffage par rayonnement infrarouge
1.2. Description du four
1.3. Analyse des propriétés thermo-physiques et thermo-optiques du P.E.T
2. Implantation numérique d’un modèle convecto-radiatif
2.1. Principe du lancer de rayon
2.2. La loi de Beer-Lambert
2.3. Formulation numérique du problème thermique dans Forge3®
2.4. Optimisation du calcul radiatif
2.5. Rotation et translation numérique de la préforme dans le four
3. Conclusions partielles
Chapitre 2 Simulation des transferts convecto-radiatifs
1. Validation du calcul de l’éclairement
1.1. Validation du calcul géométrique des facteurs de forme
1.2. Validation du calcul physique de l’interaction lampe / objet
2. Simulation du chauffage de plaques en P.E.T
2.1. Etude du chauffage d’une plaque par une lampe claire
2.2. Etude du chauffage d’une plaque par une lampe avec réflecteur céramique
2.3. Etude du chauffage d’une plaque par un four complexe
3. Simulation du chauffage de préformes en P.E.T.
3.1. Etude du chauffage d’une préforme statique dans un four
3.2. Etude du chauffage d’une préforme en mouvement dans un four
3.3. Influence des modules précédent et suivant sur le chauffage d’une préforme
4. Conclusions partielles
Chapitre 3 Description du problème mécanique et formulation numérique
1. Etude de la rhéologie du P.E.T.
2. Formulation numérique du problème mécanique dans Forge3®
2.1. Approche mécanique du problème
2.2. Discrétisation du problème mécanique
2.3. Résolution numérique du problème discret
3. Utilisation des lois de comportement hyperélastique
3.1. Formulation analytique générale d’une loi hyperélastique
3.2. Etude d’une loi hyperélastique simple et formulation analytique
3.3. Adaptation de la loi de Mooney-Rivlin à la formulation vitesse/pression
3.4. Validation de l’implantation
3.5. Instabilités et traitement numérique
3.6. Bilan sur l’utilisation des lois hyperélastiques
4. Utilisation de lois de comportement viscoplastique
4.1. Etude d’un modèle phénoménologique viscoplastique basé sur une loi de G’Sell
4.2. Bilan sur l’utilisation des lois viscoplastiques
5. Conclusions partielles
Chapitre 4 Modélisation numérique de l’étirage / soufflage des préformes en P.E.T
1. Etude de l’étirage d’une préforme
1.1. Mesure expérimentale de la force exercée en tête de canne
1.2. Présentation du modèle numérique
1.3. Comparaison entre simulation et expérience
2. Etude du soufflage libre d’une préforme
2.1. Etude expérimentale des déformations lors du gonflage libre
2.2. Etude numérique du soufflage libre
2.3. Etude d’une loi viscoplastique basée sur les déformations maximales
2.4. Soufflage d’une bouteille avec approche en déformation maximale
3. Etude du soufflage confiné et sensibilité par rapport au modèle rhéologique
3.1. Présentation du modèle étudié
3.2. Modélisation du soufflage confiné
4. Conclusions partielles
Conclusions générales
