Etude de l’influence des paramètres du procédé de rotomoulage sur les caractéristiques aérodynamiques de fonctionnement d’un ventilateur axial

Etude de l’influence des paramètres du procédé de rotomoulage sur les caractéristiques aérodynamiques de fonctionnement d’un ventilateur axial

Conception du moule et présentation du ventilateur

Conception du moule du ventilateur

Figure 2.1 – Etapes de fabrication du moule pour le ventilateur axial Avant de concevoir le moule, il faut déterminer la forme et la taille du ventilateur à réaliser. Sur la base de la surface et de la structure du ventilateur, une méthode de conception du moule est proposée (figure 2.1). La conception du ventilateur est basée sur le logiciel Mixed-Flow Turbomachinery 3D (MFT), développé au laboratoire LIFSE (figure 2.2 et 2.3). En se fondant sur le travail de thèse de Robert Rey [40] et par la suite, sur d’autres recherches menées par Farid Bakir [41], une méthode de conception de turbomachine axiale a été réalisée et intégrée dans MFT. Cette méthode est le résultat d’une série d’études statistiques et de mesures sur des profils NACA [42], [43]. Depuis les années 1940, les écoulements, les instabilités et l’état de surface autour des ventilateurs axiaux ont été étudiés. Dans l’étude de Squire [44] et Bois [45], l’écoulement secondaire a été montré plus clairement. Des études montrent que différents mécanismes de tourbillons sont à l’origine du bruit et réduisent l’efficacité aérodynamique du ventilateur (figure 2.4). Par conséquent, avec la structure de la roue, il est nécessaire de prêter attention à ce problème. Par la suite, de nombreux auteurs ont étudié la structure et la formation de ces écoulements, en particulier la distance entre  Figure 2.2 – Cahier des charges du ventilateur sélectionné pour l’étude et utilisé dans le logiciel MFT 3D Figure 2.3 – Vue 3D du ventilateur axial dessiné par le logiciel MFT 3D le sommet des pales et le carter. Pardowitz [46] a réussi à supprimer cet écoulement de fuite en utilisant une virole en aluminium d’une épaisseur de 0,05 mm autour du sommet des pales du ventilateur (figure 2.4) Par conséquent, cette structure est mentionnée dans l’étude de conception de moule de Pellicer [38]. En outre, nous voyons que l’utilisation de la virole présente les principaux avantages suivants : – Augmentation de la résistance mécanique des pales et limitation de la déformation des pales. Ceci est très important pour les ventilateurs fabriqués selon la méthode de rotomoulage. En travaillant à un débit élevé, la déformation de la roue est très susceptible de se produire en raison de la nature creuse du ventilateur. – Réduction du bruit (amélioration des performances aéroacoustiques) – Solution compatible avec la conception de moules. Une virole de 17mm de largeur et 34mm de hauteur sera donc utilisée dans la cadre de cette thèse. Cela facilite le  déplacement du matériau uniformément réparti sur les pales. Dans la recherche sur les turbomachines et surtout aujourd’hui pour les ventilateurs utilisés dans le refroidissement automobile, en plus de l’amélioration des performances aérodynamiques, l’amélioration des performances aéroacoustiques est essentiel. Par conséquent, des modifications de la structure de la roue conçue avec le logiciel MFT sont nécessaires pour répondre à cette exigence. Dans le but d’améliorer les performances acoustiques des ventilateurs, Hurault [6] et Kergourlay [7] ont étudié le sens d’empilement des pales avec 3 configurations proposées à la figure 2.5. D’un point de vue acoustique, ce changement a considérablement réduit le bruit produit, surtout avec la configuration de la figure 2.5b (pales avant courbées). Il y a cependant une légère diminution des performances pour cette configuration par rapport à une configuration de pales radiales (figure 2.5a). Figure 2.5 – Différents types de configuration de ventilateur axial: (a) pale radiale, (b) pale avant courbée et (c) pale arrière courbée [6] Cette configuration à pales avant courbées a donc été choisie pour la conception d’un prototype de ventilateur complet (figure 2.7). Les principales caractéristiques de chaque pale sont présentées dans le tableau 2.1. Chaque ventilateur a 6 pales, avec un profil de pale de type Naca-65(aa)bb. Le 6 fait référence à la série 6, le 5 correspond à la position relative à la corde de la pression minimale sur l’extrados, « aa » correspond au coefficient de portance à incidence nulle, soit le coefficient de cambrure aérodynamique (multiplié par 10) et enfin « bb » correspond à l’épaisseur maximale relative à la corde (en . Conception du moule et présentation du ventilateur Figure 2.6 – Performances aérodynamiques et acoustiques pour les trois configurations de la figure 2.5: pale radiale, pale avant courbée, pale arrière courbée [6] pourcentage). Le rapport Rmin/Rmax = 0,365 avec Rmax = 179 mm. Pour la virole, 17 mm de largeur et 34 mm de hauteur ont été utilisées, comme expliqué précédemment. Tableau 2.1 – Principales caractéristiques de la géométriques utilisées pour la conception du ventilateur axial R [mm] L [mm] θ γ Profile K Hub 65 66.6 0.97 53 NACA 65(07)06 0.372 Mid-span 122.2 74.0 0.58 66 NACA 65(10)05 Tip 179.0 81.3 0.43 70 NACA 65(11)05 0.650 Figure 2.7 – Vue 3D par CAO du ventilateur axial Dans la première étape de conception du moule, créer un moule complet de ventilateur semblait très risqué, car les essais faits jusqu’à ce moment n’assuraient pas un remplissage total de l’empreinte du moule. Par conséquent, la conception de 1/6 du moule est nécessaire (figure 2.8). Considérons ensuite l’adaptabilité du moule au mouvement du matériau dans le moule, et à la qualité du ventilateur qu’on obtenu. À partir de là, il est possible de compléter le moule pour un ventilateur complet. Le moule est conçu avec le logiciel CATIAV5R17. Puisque la pièce n’est pas symétrique, il a fallu concevoir deux demi moules différents, en faisant en sorte que le plan de joint passe par la corde de la pale afin que celui-ci n’influe pas sur les caractéristiques aérodynamiques 1

Conception du moule et présentation du ventilateur 

Figure 2.8 – Réalisation d’un moule de 1/6 du ventilateur: (a) géométrie du moule (CAO), (b) pale obtenue par rotomoulage avec le moule considéré du ventilateur. Ce travail a été réalisé par Sifres [38]. Ensuite, Martinez [47] et Canne [39] ont réalisé une étude approfondie pour créer un moule complet (figure 2.9). Les résultats montrent l’adaptabilité du matériau dans le moule. Cependant, des analyses et des tests sont nécessaires pour améliorer encore ce procédé. Figure 2.9 – Réalisation du moule complet: (a) CAO du moule de ventilateur complet, (b) ventilateur complet obtenu par rotomoulage avec le moule considéré 

Fabrication de moule du ventilateur

La partie centrale du moule est équipée d’un évent d’aération en caoutchouc résistant à la chaleur. L’évent est rempli au milieu de laine de roche pour empêcher la poudre ou la poudre fondue de s’écouler. Le but de l’utilisation de ce évent est de maintenir l’équilibre de pression à l’intérieur du moule pendant les deux cycles de chauffage et de refroidissement. De plus, le dessus du moule comporte 6 rainures sur les pales (figure 2.10). Nous pouvons remplir le moule de poudre à ces positions. Le moule est ensuite sur la machine (figure 2.11). 18 CHAPITRE 2 2.2. Le procédé de fabrication: le rotomoulage Figure 2.10 – Le moule (a); l’évent (b); laine de roche (c) Figure 2.11 – Zone de fixation du moule dans la rotomouleuse LAB 40 de type Shultle utilisée 2.2 Le procédé de fabrication: le rotomoulage 

Description de la méthode de rotomoulage

Les principales étapes du cycle de rotomoulage sont présentées à la figure 2.12: Etape 1 : Introduction de la poudre dans le moule. Le moule est en aluminium, reflétant la forme de la pièce à fabriquer. La quantité de poudre utilisée dans le moule est déterminée par la taille, la forme et l’épaisseur du matériau utilisé. Le moule est ensuite fermé. Pour obtenir un résultat optimal, le moule doit être complètement étanche. Etape 2 : Rotation du moule et chauffage. Une fois la poudre placée à l’intérieur, le moule est introduit dans le four, où la température augmente progressivement. La première couche de polymère commence à fondre et à se fixer à la paroi du moule. Ensuite, toute la poudre de polymère fond et le plastique recouvre toute la surface du moule par l’action de l’arbre rotatif. Ensuite, la température continue de monter, permettant la répartition du matériau et la réduction de la viscosité du matériau, éliminant ainsi les bulles internes. La fusion est complète lorsque la distribution du  polymère est homogène. Le moule tourne autour de deux axes perpendiculaires. La vitesse de rotation du moule ainsi que la différence de vitesse entre les deux axes affectent l’uniformité de la pièce finie. Il est essentiel de contrôler ces paramètres. Etape 3 : Rotation du moule et refroidissement. Le moule continue de tourner et il est déplacé dans la zone de refroidissement. Le refroidissement du moule peut se faire de plusieurs manières: à l’eau, à l’air ou avec une combinaison des deux. Ce processus se termine lorsque le polymère est complètement solidifié. Etape 4 : Pièce finale (Démoulage). La pièce est maintenant complètement solidifiée et peut se décoller du moule. Ensuite, un nouveau cycle pourra commencer. Figure 2.12 – Etapes du procédé de rotomoulage Pour mieux contrôler la qualité de la pièce obtenue par rotomoulage, il est nécessaire d’analyser l’évolution de la température au cours du procédé. La figure 2.13 représente l’évolution de la température au cours des différentes étapes du procédé pour deux conditions A (température de chauffage de 285°C, temps de chauffage de 12 min et refroidissement par air) et B (température de chauffage de 330°C, temps de chauffage de 12 min, et refroidissement par l’air). La figure 2.13 montre les périodes de chauffage et de refroidissement. Cette figure illustre également le comportement du Polyéthylène base densité (LDPE) dans le moule ainsi que ses changements de phase. Ce diagramme permet de suivre les changements de l’état physique du LDPE au cours du processus. Il permet également de distinguer plusieurs étapes lors de cette transformation : • Au départ, le moule et le polymère sont à la température ambiante. La vitesse d’élévation de la température dépend de la chaleur apportée et de la capacité

Le procédé de fabrication: le rotomoulage

Figure 2.13 – Evolution de la température au cours du temps: condition A: T0 = 285°C et condition B: T0 = 330°C (∆t0 = 12 min, refroidissement par l’air pendant 20 min), Toven désigne la température du four, Tpolymer la température mesurée à l’intérieur du moule [9] thermique du polymère. • Au point A de la figure 2.13, proche du point de fusion (dans le cas du LDPE ≈ 124 °C), la première couche fondue de polymère adhère au moule. La vitesse d’augmentation de la température diminue. Pour le LDPE semi-cristallin, cette diminution s’explique principalement par l’absorption d’énergie due à la chaleur latente de fusion. A partir de ce moment, jusqu’au point B, le matériau continue de fondre et de s’étaler sur la paroi pour recouvrir la surface interne du moule. Une fois la première couche de polymère formée, de la chaleur est transférée à travers cette couche pour faire fondre les poudres des couches suivantes et donc jusqu’à ce que l’épaisseur de la pièce soit obtenue à la fin du procédé. Le phénomène physique dominant entre les points A et B est la coalescence des particules. Ce phénomène s’accompagne du phénomène de migration de l’air emprisonné entre les grains et de la densification. • Au point B de la figure 2.13, toute la poudre est fondue. A partir de ce point, la viscosité diminue avec l’augmentation de la température. Cette diminution de viscosité favorise la répartition homogène du polymère sur la paroi interne du moule et l’élimination de l’air emprisonné dans la masse fondue (densification). La température monte à une température maximale (point C). Le choix de cette température est très important, car une température trop basse ne fournit pas la fluidité nécessaire à l’élimination totale des bulles d’air, une température trop élevée poussera le polymère vers la dégradation. • Entre les points B et C, la surface interne devient lisse et la densité de la pièce augmente. La majorité de l’air initial présent entre les grains de poudre quitte le matériau et pénètre dans l’air interne du moule; cependant, certaines des bulles traversent la masse fondue pour créer une fine couche d’air entre la surface interne du moule et l’épaisseur du polymère. • Quelques minutes avant le point C, le chauffage est éteint. Le moule 21 2.2. Le procédé de fabrication: le rotomoulage CHAPITRE 2 est sorti du four et placé dans la chambre de refroidissement. À partir de ce point, la température commence à diminuer. Cette diminution, tant que le polymère est à l’état fondu, sera relativement linéaire. • Près du point D de la figure 2.13, la vitesse de diminution de la température ralentit et un plateau est observé sur la thermographie. Ce phénomène correspond au changement d’état physique et à la solidification du polymère. Dans le cas des polymères semi-cristallins, cela correspond au phénomène de cristallisation. • Près du point E, la pièce est complètement solidifiée et se détache du moule. A partir de là, le régime de transfert de chaleur change ce qui provoque un changement de la pente au niveau de la courbe de température. Au point F, nous pouvons démouler la pièce. L’analyse des courbes obtenues montre que les plateaux observés sur la courbe de l’air interne au moule pendant le chauffage comme pendant le refroidissement correspondent au pic de fusion et au pic de cristallisation, respectivement. En visualisant ces courbes en temps réel, on peut savoir quand le polymère a fini de fondre et à quel moment il cristallise. Ceci permet d’optimiser les temps de chauffe et de refroidissement et d’adapter les vitesses de refroidissemen