Simulation du procédé de soufflage par la méthode des éléments naturels contraints (C-NEM) : application à l'optimisation du procédé

Simulation of the blow process by the constrained natural element method (C-NEM): application to the optimization of the process

Université Paris-Est, Laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle, MSME FRE3160 CNRS, 5 bd Descartes, 77454 Marne-la-Vallée, France

Reçu : 10 Mars 2008
Accepté : 3 Juin 2008

Résumé

Le procédé de soufflage des bouteilles en poly (éthylène téréphtalate) induit des modifications importantes des propriétés mécaniques du matériau. Considérant la température () du procédé habituellement utilisée, le matériau présente une viscosité très élevée et montre un effet durcissant lié à l'évolution de sa microstructure. Un modèle visco-plastique simple a été identifié à partir de résultats expérimentaux sur des essais uniaxiaux et biaxiaux [L. Chevalier, Int. J. Mech. Mater. 39 (2006) 596-609]. Dans ce travail, nous présentons tout d'abord ce modèle visco-plastique et une extension au 3D ou 2D non équilibré, puis nous utilisons l'outil numérique pour simuler le soufflage libre d'une préforme présentant un profil de température et soumise à une pression interne. Les simulations sont réalisées afin de trouver le profil de température optimal, qui permet d'obtenir la distribution la plus homogène possible de l'épaisseur le long de la bouteille finale. La méthode des éléments finis est peu efficace dans la simulation du procédé de soufflage, car la déformation finale du matériau est supérieure à 200 % dans chaque direction (circonferentielle et longitudinale). Ce niveau de déformation génère une forte distorsion des éléments et nécessite de remailler fréquemment. Nous utilisons la méthode des éléments naturels contraints (C-NEM) pour simuler le soufflage libre d'une bouteille en PET axisymétrique.

Abstract

The stretch-blow molding process of poly (ethylene terephthalate) bottles induces some important modifications in the mechanical properties of the material. Considering the process temperature () that is usually used, the material presents a very high viscosity and shows a strain hardening effect linked to the microstructure evolution. A simple visco-plastic model has been identified from experimental results of uniaxial and biaxial tensile tests [L. Chevalier, Int. J. Mech. Mater. 39 (2006) 596-609]. In the present work, we first present this viscoplastic model and an extension to the non equilibrated 3D or 2D then we use the numerical technique to simulate the free inflation of a preform, which has a given profile of temperature, under an internal pressure. The simulations are carried out in order to find the optimal profile of temperature to have the most homogeneous distribution of the thickness along the final bottle as possible. The finite elements method has a poor efficiency in the simulation of the stretch-blow molding process, because the final material strain is up to 200% in both directions (circumferencial and longitudinal). This strain level generates strong element distortion and necessitates to often re-mesh. We use the constrained natural elements method (C-NEM) to simulate the free blowing of a axi-symmetric PET bottle.