Optimisation thermomécanique du concept MATTE

 Optimisation thermo-mécanique du concept MATTE

Comme cela a été démontré précédemment, les paramètres géométriques de la peau chauffante et les éléments technologiques périphériques (thermorégulateur, pompe, fluide) ont une influence notable sur les performances thermiques de l’outillage en terme de temps de chauffe et d’homogénéité thermique. Cette étude consiste en l’optimisation numérique thermomécanique des paramètres géométriques de la peau chauffe : dimensions canaux, distance entre les canaux et épaisseur d’acier dans le but d’augmenter les vitesses de chauffe et de refroidissement, tout en maîtrisant le gradient thermique en surface moulante et en garantissant une tenue mécanique suffisante. Deux cas potentiels d’étude existent (i) le client possède déjà un système de chauffe, l’optimisation concerne l’outillage uniquement, (ii) le client ne possède pas de système de chauffe, l’optimisation concerne le couple outillage-système de chauffe. L’étude présentée ici correspond à un besoin industriel pour lequel le client possède les éléments technologiques H & C (thermorégulateur, pompe et fluide) et présente un besoin sur l’outillage uniquement. L’objectif de cette étude est triple : — Mise en place d’une démarche d’optimisation thermomécanique des paramètres géométriques de la peau chauffe pouvant être intégrée au sein du bureau d’étude de Compose Group; — Etude de l’influence des paramètres géométriques sur les réponses thermiques (temps et ∆T) et mécanique; — Comparaison des performances thermomécaniques de MATTE vis-à-vis d’un modèle à canaux circulaires. Pour cette étude, suite à l’étude des différentes méthodes d’optimisation possibles (Annexe A), la démarche mise en place retenue consiste à : 1. Observer les réponses thermomécaniques sur le modèle d’outillage conventionnel massif; 2. Optimiser la géométrie de cet outillage à canaux de chauffe circulaires; 3. Optimiser la géométrie d’un outillage de même géométrie, à canaux de chauffe rectangulaires.

Méthode, modèles et métamodèles

Cette étude est réalisée sur la base du démonstrateur laboratoire présenté dans l’étude 4.1. Les caractéristiques de l’outillage sont présentées respectivement Tableau 4.1 et Tableau 4.2. La modélisation numérique éléments finis, présentée Figure 5.1, est basée sur l’outil-métier THERM1 et est réalisée sur une structure VER 2D afin de négliger les effets de bords et pour se focaliser sur la zone de chauffe des outillages. Pour les simulations thermiques, la température initiale est de 25°C et la consigne de température fixée est de 80°C. Les lignes latérales et la ligne inférieure étant des plans de symétries, une condition adiabatique est appliquée : flux thermique nul. Une convection naturelle est appliquée sur la ligne supérieure de la tôle acier extérieure : température = 25°C et ha = 5 W.m −2 .K −1 [Müller-Steinhagen2016]. Une convection forcée est appliquée dans les canaux de chauffe par l’intermédiaire des éléments liens thermiques. Le coefficient convectif est déterminé par la méthode présentée dans les études de Collomb et al. [Collomb2017a] et avec la prise en compte des données de la pompe du thermorégulateur, de la nature du fluide et de la température. Le fluide utilisé pour la thermorégulation est dans un premier temps de l’eau, puis dans un second temps de l’huile Therminol D12. La chauffe est quant à elle réalisée par l’application d’une puissance thermique de 12 kW régulée par PID, sur l’élément masse thermique et correspondant à la puissance du thermorégulateur. Les phénomènes liés à la réticulation de la résine (dont l’exothermie) ne sont pas pris en compte. Pour les simulations mécaniques, les plans de symétries sont conservés. La structure est considérée comme étant sous presse : le déplacement vertical de la ligne supérieure de la tôle extérieure est bloqué. Une pression de 15 bars correspondant à l’injection de la résine est appliquée sur la surface de moulage. Une pression de 3,5 bars est appliquée sur les canaux de chauffe, correspondant à la pression du fluide mis en circulation.Les réponses thermomécaniques observées sont : — t : Le temps de chauffe du point froid de la surface moulante pour atteindre 90% de la consigne; — ∆T : L’écart maximal de température sur la surface moulante au cours de la chauffe; — u : Le déplacement vertical maximal de la surface moulante

Les résultats

Les résultats prédictifs des modèles optimaux réalisés à l’aide des métamodèles et les résultats issus d’une vérification éléments finis sont comparés Tableau 5.6. Sur le domaine d’étude, les erreurs de prédiction sont inférieures à 5% pour les métamodèles thermiques et inférieures à 10% pour le métamodèle mécanique, ce qui confirme la qualité des métamodèles utilisés pour l’optimisation. Les comparaisons des temps de chauffe entre le modèle de référence, le modèle optimisé circulaire et le modèle optimisé rectangulaire sont présentées respectivement Figure 5.5a et Figure 5.5b pour la chauffe à l’eau et la chauffe à l’huile.  Concernant la chauffe à l’eau, le modèle circulaire optimisé, Figure 5.5b, est essentiellement piloté par les aspects thermiques car la géométrie circulaire des canaux permet une très bonne reprise des efforts mécaniques. L’optimum géométrique est donc le compromis permettant de minimiser le temps de chauffe tout en maîtrisant l’écart de température à 2°C sur la surface moulante. La prise en compte des aspects technologiques (pertes de charge, pompe et fluide) s’avère être primordiale dans cette étude car il apparaît que la solution optimale ne minimise pas totalement l’entraxe entre les canaux et le diamètre des canaux (donc la masse d’acier). En effet, dès lors que le diamètre et la distance entre les canaux diminue, il est nécessaire de multiplier le nombre de canaux, ce qui augmente les pertes de charge et donc réduit les débits de fonctionnement et l’échange convectif. La solution optimale pour ce cas d’étude est donc une géométrie qui minimise l’épaisseur d’acier de part et d’autre des canaux tout en faisant un compromis entre le diamètre des canaux et l’entraxe afin de limiter l’écart de température en surface moulante tout en minimisant la masse d’acier. Le modèle rectangulaire, Figure 5.5c, est quant à lui piloté par la contrainte mécanique. L’optimum géométrique consiste donc pour ce cas d’étude à une géométrie qui minimise la distance entre canaux et la hauteur de ceux-ci pour minimiser la masse d’acier et qui fait un compromis entre la largeur des canaux et l’épaisseur d’acier de part et d’autre des canaux afin de satisfaire la tenue mécanique tout en limitant la masse d’acier.