High velocity winding of plastic films : influence of suface topography on the air interlayers

Enroulement à grande vitesse de films plastiques : influence de la topographie de surface sur l'air interspires

Ecole Supérieure de Plasturgie, B.P. 801, 01108 Oyonnax, France - bourgin@esp-oyonnax.fr

Abstract

One challenge when processing flexible media such as plastic films is to obtain rolls without any aspect defect : if one considers that a “defect” (i.e. wrinkling or buckling) is due to the fact that the stress generated within the roll is greater than some “plasticity yield”, then it is crucial to predict the internal stress state.

Several process parameters must be carefully mastered. One important effect, though difficult to evaluate, is that of surface topography, and its influence on the roll quality.

Several authors [1,2] assumed that the roll is a composite material, resulting from the accretion of circular film layers separated by air layers. It is suggested that the radial elastic modulus of the roll is a nonlinear function of the compressive stress, depending on the amount of air entrapped. This is an indirect way to take into account the influence of surface topography on the stress state generated within a roll wound at high speed.

In this article, we propose to connect some pertinent static roughness parameters of plastic films to their dynamic effects. The main features of our experimental set-up are recalled, see [4] : it consists in an air layer squeezed between the rough flexible surface to be characterized (i.e. film sample) and a rigid smooth one (i.e. glass substrate).

In order to establish a relationship between the thickness reduction of the air layer and the displacement of the front representing the air layer evacuation, a mathematical model has been developed [5]. This model is based on homogeneization techniques, considering that the flow domain (gap between the rough film and the substrate) is composed of a regular array of cylinders. The cylinders heights, radii and periods of spatial distribution are connected to the actual characteristics measured by a 3D roughness profilometer.

The statistical data processing consists in selecting the peaks higher than some prescribed threshold.

The corresponding parameters are introduced into the mathematical model. They represent respectively : cylinders heights, spacing between cylinders and diameters.

The experimental data are compared to the theoretical predictions, for several values of the threshold, and an optimum value of the threshold is found.

Résumé

L'un des défis posés par l’enroulement des matériaux flexibles, comme par exemple les films plastiques, est d'obtenir des rouleaux exempts de défauts : si l’on considère qu’un défaut provient du fait que les contraintes générées au sein du rouleau dépassent un certain seuil de plasticité, alors ils est important de prévoir cet état de contrainte.

De ce fait plusieurs paramètres doivent être maîtrisés. L’un des plus effets les plus importants et les plus difficiles à maîtriser est celui de la topographie de surface ainsi que son influence sur la qualité du rouleau.

Différents auteurs [1,2] assimilent le rouleau à un matériau composite, résultant de l’accrétion de couches successives et circulaires de film, séparées par des couches d'air. Il a été suggéré que le module d'élasticité radiale du rouleau en fonction des contrainte d'écrasement est non- linéaire, et dépend de la quantité d’air interspire. C’est une façon indirecte de tenir compte de l’influence de la rugosité sur l'état de contrainte généré au sein du rouleau, lors de l’enroulement à grande vitesse.

Dans cet article, nous nous proposons de mettre en évidence l'influence de quelques paramètres pertinents de rugosité statique de films plastiques sur la dynamique de l’écoulement d’air entre les couches du rouleau. Le dispositif expérimental est détaillé dans [4] : il consiste à écraser une couche d’air entre la feuille de film plastique rugueux à caractériser et un substrat lisse et rigide.

Afin d’établir une relation entre la réduction de l’épaisseur de la couche d’air et le déplacement du front représentant son évacuation, un modèle mathématique est développé [5] Il repose sur les techniques d’homogénéisation périodique, en considérant que le domaine d’écoulement est composé d’un arrangement périodiques de cylindres. La hauteur de ces cylindres, leur rayon et la période de distribution spatiale sont directement liés aux caractéristiques réelles mesurées.

L'étude statistique des mesures consiste ci sélectionner les pics dépassant une certaine valeur seuil choisie. Les paramètres correspondants sont introduits dans le modèle mathématique. Ils représentent respectivement les hauteurs, l’espacement entre cylindres et leur diamètre.

Les mesures expérimentales et les résultats du modèle offrent un bon accord pour une valeur optimale du seuil.