Effet des équipements dans un système de gestion thermique - A110

Effet de l'équipement dans un gestion thermique Système
Article sur la connaissance des systèmes
Type de document	Article
Identificateur de document	110
Thèmes	La gestion thermique
Cours pertinents	Équipement
Tags	Équipement Paramètres d'équipement Controle du système Propriétés thermiques Transformation thermique Interaction de gestion thermique
Pré-requis :	Degré de polymérisation Équipement Chaleur de réaction Le transfert de chaleur Interactions avec le système Gestion thermique et durcissement/cristallisation (TM)

Introduction

Dans tout système thermique, pour comprendre ce que fait la pièce, il faut comprendre le système dans son ensemble. La pièce est généralement petite par rapport à l'outil et c'est l'équipement qui applique les conditions limites thermiques à la combinaison pièce-outil. C'est l'équipement, par exemple l'autoclave ou la presse, qui définit les conditions limites pour l'assemblage outil-pièce. Si la pièce et l'outil sont directement exposés à l'environnement, comme dans le cas d'une cuisson à température ambiante, l'équipement est alors essentiellement la pièce. L'équipement interagit à la fois avec l'outil et la pièce, mais comme l'outil est généralement beaucoup plus massif thermiquement que la pièce, l'équipement interagit indirectement avec la pièce, l'outil servant de moyen d'échange thermique entre l'équipement et la pièce, au moins d'un côté de la pièce. Dans tous les cas, les paramètres de l'équipement influencent de manière significative la réponse thermique globale du système.

Domaine

Cet article traite de l'impact de l'équipement sur un système de gestion thermique, en gardant à l'esprit que ce qui compte avant tout, c'est la réponse thermique de la pièce. L'effet de divers paramètres de l'équipement est étudié. La page renvoie à des contenus de connaissances fondamentales et propose une simulation basée sur la physique pour démontrer le comportement de l'équipement et comment la modification de ses paramètres affecte la réponse thermique de la pièce. Bien que le contenu présenté ici soit applicable à la gestion thermique dans toutes les cellules d'usine, l'accent de cette page est mis sur la cellule de transformation thermique, car c'est la cellule prédominante associée à la gestion thermique.

Importance

Il s'agit de l'équipement qui fournit la chaleur (et le refroidissement) au système et qui détermine l'état final de la pièce. Le regroupement des équipements en fonction des conditions limites qu'ils imposent à la combinaison pièce-outil est une approche de classification pratique. De plus, cela fournit un moyen pratique d'analyser les systèmes thermiques. La compréhension de l'effet de diverses conditions limites dans le contexte de la gestion thermique permet de déterminer le flux de chaleur à travers l'assemblage outil-pièce, en supposant que tous les autres paramètres de l'outillage et de la pièce sont connus. Étant donné que les équipements sont des constituants majeurs des cellules d'usine et peuvent représenter des dépenses importantes pour les entreprises, leur effet sur le système doit être bien compris.

Pré-requis :

Documents recommandés à consulter avant ou en parallèle avec ce document :

• Degré de polymérisation
• Chaleur de réaction
• Le transfert de chaleur
• La gestion thermique
• Interactions avec le système
• Équipement (classe de système)

Marché

Les paramètres d'équipement les plus importants du point de vue de la gestion thermique sont la température appliquée, la vitesse de chauffage/refroidissement appliquée et, pour les systèmes de transfert de chaleur par convection, le coefficient de transfert de chaleur (HTC). Les deux premiers paramètres se manifestent dans le cycle de température imposé. Le dernier paramètre (HTC) n'est applicable que pour un système de chauffage par convection et dépend de plusieurs autres paramètres d'équipement, à savoir la vitesse et la pression du flux d'air/gaz. De plus, le HTC peut varier localement au sein de l'équipement en raison de la direction du courant, des caractéristiques géométriques de l'outil/de la pièce et de l'emplacement de l'outil/de la pièce. En général, la température appliquée et la vitesse de chauffage ne sont pas indicatives de la température ou de la vitesse de chauffage réelles subies par la pièce, en raison des interactions avec les paramètres de l'outil et de la pièce.

Répartition de la vitesse du flux d'air dans un autoclave avec un flux provenant du bas. La position de l'outil aura un impact sur l'amplitude de la vitesse de l'air que subissent l'outil et la pièce.

L'équipement fournit les conditions limites qui s'interfacent soit directement avec la pièce, soit indirectement, en interagissant d'abord avec l'outillage et les consommables. Par conséquent, le transfert de chaleur externe vers la pièce provient soit de l'équipement, soit de l'outillage/des consommables. De même, la génération de chaleur interne dans la pièce doit être transférée soit à l'équipement, soit à l'outillage/aux consommables. La chaleur externe peut être appliquée au système de différentes manières, chacune constituant une condition limite différente. Ces conditions limites dépendent de l'équipement utilisé. Il existe fondamentalement trois modes de transfert de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. Chacun de ces modes peut être pris en compte dans le traitement des composites.

Dans de nombreux cas, il suffit d'analyser le système à l'aide d'une évaluation thermique 1D. C'est-à-dire en supposant que la chaleur circule à travers l'épaisseur de l'assemblage outil-pièce. Par conséquent, les limites de conduction ou de convection imposées par l'équipement agissent sur la surface supérieure et inférieure de l'assemblage outil-pièce. En réalité, le transfert de chaleur se produit en trois dimensions et les limites le long de l'avant, de l'arrière et des côtés de l'assemblage affectent le transfert de chaleur vers et depuis la pile. Cependant, le gradient thermique dans ces autres dimensions n'est généralement pas significatif et peut donc être ignoré. Selon l'équipement, les limites sur le dessus et le dessous de l'assemblage peuvent ne pas être les mêmes. Si l'équipement utilise un ventilateur pour souffler de l'air chaud (ou un autre fluide) pour chauffer la pile, alors la limite de l'équipement est une limite de convection forcée, comme dans un autoclave ou un four à convection. Si l'équipement chauffe l'air pour ensuite chauffer la pile mais ne déplace pas l'air mécaniquement (par exemple en utilisant un ventilateur), alors il utilise la convection naturelle, comme dans un four traditionnel ou dans un durcissement à température ambiante. Les mécanismes de transfert de chaleur dans la convection forcée et naturelle sont les mêmes, la différence étant l'ampleur du coefficient de transfert de chaleur. Enfin, si l'équipement utilise une plaque chauffante (ou un autre objet) en contact direct avec l'ensemble outil-pièce, il utilise alors une condition limite conductrice. Dans certains cas, l'outil peut faire partie de l'équipement et appliquer de la chaleur directement sur la pièce. Alternativement, l'équipement peut chauffer directement l'outil qui à son tour chauffe la pièce, comme la cuisson d'aliments (pièce) dans une casserole (outil) sur une cuisinière (équipement).

Convection naturelle	Convection forcée	Conduction bilatérale	Conduction unilatérale avec convection naturelle

Rappelons la forme 1D de l’équation de transfert de chaleur :

\(\frac{\partial}{\partial t}(\rho C_pT)=\frac{\partial}{\partial z}\Bigl(k_{zz}\frac{\partial T}{\partial z}\Bigr)+\dot{Q}_{r}\) Forme 1D de l'équation de transfert de chaleur, où :<br />\(t\) = temps,<br />\(\rho\) = densité,<br />\(C_p\) = capacité thermique massique,<br />\(T\) = température,<br />\(z\) = distance à travers l'épaisseur (direction z),<br />\(k_{zz}\) = conductivité thermique dans la direction z, et<br />\(\dot{Q}_{r}\) = taux d'énergie dégagée par le matériau pendant l'exothermie.

Où,

\(\dot{Q_r} = \frac{d\alpha}{dt}(1-V_f)\rho_r H_R\) Génération de chaleur interne pendant la polymérisation (exothermique), où :<br />\(\dot{Q}_{r}\) = taux d'énergie dégagée par le matériau,<br />\(\alpha\) = degré de polymérisation ,<br />\(t\) = temps,<br />\(V_f\) = fraction volumique de fibres ,<br />\(\rho_r\) = masse volumique de la résine , et<br />\(H_R\) = chaleur de réaction de la résine

Afin de résoudre cette équation pour déterminer la température de la pièce, les conditions limites du système doivent être connues. Comme mentionné ci-dessus, celles-ci peuvent être convectives ou conductrices. Une limite convective est une limite où le flux de chaleur dû au transfert de chaleur convectif est équivalent au flux de chaleur conductif. Une condition limite conductrice implique que la température de surface de l'assemblage outil-pièce est connue. On peut également parler de limite de température de surface constante (ou simplement de limite de température). Mathématiquement parlant, ces deux limites peuvent être représentées comme suit :

Condition limite convective : \(-k{\partial T \over \partial z} = h[T_\infty - T(0,t)]\) Le membre de gauche décrit la conduction à travers la surface, conformément à la loi de Fourier. Le membre de droite décrit la convection à la surface, conformément à la loi de refroidissement de Newton. <br />\(k\) = conductivité thermique, <br />\(T\) = température, <br />\(z\) = distance à travers l'épaisseur (direction z), <br />\(h\) = coefficient de transfert thermique (HTC), <br />\(T_\infty\) = température ambiante, et <br />\(T(0,t)\) = température à la position z = 0 (c'est-à-dire à la surface) et à l'instant t (c'est-à-dire à tout instant).

Limite conductrice (température de surface constante) : \(T(0,t) = T_s\) Température de surface constante, caractéristique d'une limite conductrice. \(T(0,t)\) représente la température à la position z = 0 (c'est-à-dire à la surface) et à l'instant t (c'est-à-dire à tout instant). \(T_s\) désigne la valeur absolue de la température de surface.

Chauffage par convection

Application de température

Dans un système de gestion thermique, l'une des fonctions les plus importantes de l'équipement est de contrôler les conditions environnementales auxquelles sont soumis l'outil, la pièce et le matériau. Cela inclut la température appliquée et la vitesse de chauffage/refroidissement. Bien que le contrôle de l'apport de chaleur par l'équipement puisse paraître évident, la maîtrise de ces paramètres et de leur impact sur le système est cruciale pour obtenir la qualité de pièce requise. Le contrôle de la température et de la vitesse de chauffage est particulièrement important lors de l'étape de transformation thermique en usine. À ce stade, la chaleur est appliquée pour transformer la pièce en sa forme finale, lui conférant les propriétés mécaniques prévues. L'application de la chaleur peut être aussi simple que de laisser la pièce dans une pièce sans apport de chaleur supplémentaire (cuisson à température ambiante), ou aussi complexe que de soumettre la pièce à plusieurs étapes de chauffage et de maintien isotherme afin de respecter les spécifications du matériau. Le mode d'application de la chaleur, incluant la durée d'exposition de la pièce à des températures spécifiques, est appelé cycle de cuisson pour les polymères thermodurcissables.

Traitement à haute température - cycle de durcissement

Les modifications apportées au cycle de polymérisation peuvent avoir des effets significatifs sur la réponse thermique de la pièce. C'est pourquoi des cycles de polymérisation spécifiques sont souvent définis en fonction du matériau et figurent dans les fiches techniques de nombreux fournisseurs. Il s'agit du cycle de polymérisation recommandé par le fabricant ( MRCC ). Bien que le MRCC prenne en compte la réponse du matériau, il ne rend généralement pas compte de la réponse du système. Autrement dit, l'influence des équipements, de l'outillage et des paramètres de la pièce n'est pas considérée. Par conséquent, le respect du MRCC constitue un bon point de départ et peut suffire à obtenir un degré de polymérisation approprié ; toutefois, les effets du système ne doivent pas être négligés. Il se peut qu'en raison d'une mauvaise circulation d'air, d'un outillage épais ou de la complexité géométrique de la pièce, le MRCC ne permette pas d'atteindre le degré de polymérisation souhaité.

En ce qui concerne le traitement à haute température, les deux méthodes les plus courantes pour modifier le cycle de durcissement sont de modifier la vitesse de chauffe (également appelée vitesse de rampe) et le nombre de maintiens isothermes. L'exécution de l'une ou l'autre action peut entraîner des différences dans le décalage thermique et la température maximale subie par la pièce. La réduction de la vitesse de rampe augmente le temps nécessaire au système pour répondre à l'augmentation de la température. Le résultat est que le décalage thermique entre les composants du système est réduit. C'est-à-dire la distribution de température sur la pièce, entre la pièce et l'outil, et entre la pièce et l'environnement. Une vitesse de rampe réduite peut également réduire la température maximale de la pièce subie pendant l'exothermie. En effet, la réaction de durcissement démarre pendant le chauffage, par opposition au maintien à la température maximale. Par conséquent, lorsque la réaction exothermique commence, la température de l'air est plus basse. Une fois que la température de l'air atteint sa valeur maximale, moins de chaleur résiduelle de la pièce est disponible pour être libérée, ce qui réduit le dépassement exothermique. Plus la vitesse de rampe est faible, plus l'outil et/ou l'environnement ont de temps pour évacuer la chaleur de la pièce, réduisant ainsi encore le dépassement. Si elle est programmée et gérée de manière appropriée, une exothermie qui se produit pendant la phase de montée en température peut aider à amener la pièce à la température souhaitée sans dépassement important. Ce faisant, la pièce répond aux spécifications de température, tout en réduisant une partie du temps de chauffe.

L'augmentation du nombre de paliers isothermes a un effet similaire à la réduction de la vitesse de chauffe ; elle donne au système le temps de répondre aux conditions imposées. De plus, elle permet de libérer une fraction de la chaleur exothermique du matériau à des températures plus basses. Il est important que les paliers intermédiaires se produisent à des températures inférieures à la température de traitement prévue. Ce faisant, la réaction de polymérisation progresse à des températures plus basses. Ainsi, une certaine chaleur exothermique est dégagée avant d'atteindre la température de traitement finale, ce qui signifie que la quantité de chaleur exothermique libérée à haute température est réduite. Plus le palier intermédiaire est long, plus la réaction de polymérisation progressera et plus la chaleur exothermique sera dégagée. Cela suppose cependant que la température de palier soit suffisante pour fournir suffisamment d'énergie pour faire avancer notablement la polymérisation. De même, l'augmentation de la température à laquelle le palier intermédiaire se produit augmentera encore la polymérisation et dégagera une chaleur exothermique supplémentaire, réduisant ainsi la chaleur résiduelle à libérer lorsque la pièce atteint sa température de traitement prévue. Cela peut être bénéfique pour réduire la température maximale de la pièce. Cependant, si la température de maintien intermédiaire est trop élevée, la pièce peut alors exothermer au-dessus de la température spécifiée pendant le maintien, ce qui va à l'encontre de son objectif.

La diminution de la vitesse de montée en température et l'augmentation du nombre de paliers isothermes ont pour effet combiné de réduire le décalage thermique et de diminuer la température maximale de la pièce. Cependant, cela augmente également la durée du cycle de durcissement, en particulier pour les paliers isothermes longs. Par conséquent, bien qu'une série de paliers lents suivis de paliers isothermes puisse permettre aux fabricants de respecter les spécifications de température, elle peut également faire augmenter leurs coûts en réduisant le rendement.

Pour le traitement à haute température, la réduction de la vitesse de chauffage et l'ajout de supports isothermes peuvent réduire le décalage thermique et réduire la température maximale de la pièce.

Vitesse de chauffe de 3°C/min contre 1°C/min sans paliers isothermes intermédiaires	Vitesse de chauffe de 3°C/min contre 1°C/min avec un maintien isotherme de 60 min à 110°C
Vitesse de chauffe de 3°C/min contre 1°C/min avec un maintien isotherme de 120 min à 110°C	Vitesse de chauffe de 3°C/min contre 1°C/min avec un maintien isotherme de 60 min à 140°C

Traitement à basse température – air ambiant

Dans le cas d'un traitement à basse température où aucun taux de chauffage n'est introduit, la température de l'air ambiant joue un rôle important dans la réponse thermique de la pièce. Des températures de l'air ambiant plus élevées permettent à la réaction de durcissement de progresser rapidement, dégageant des niveaux de chaleur élevés et entraînant une température de pièce plus élevée. En conséquence, le degré de durcissement (DOC) progresse également. Bien que des degrés de durcissement plus élevés soient souhaitables, il faut veiller à ne pas dépasser la température maximale de la pièce telle que définie par les exigences du matériau. Des exothermes importants peuvent entraîner un durcissement excessif ou une dégradation de la pièce, ce qui réduit finalement les propriétés mécaniques finales.

Pour le traitement à basse température, la température de l'air ambiant peut jouer un rôle important dans la température maximale de la pièce et le DOC.

Coefficient de transfert de chaleur (HTC)

Le coefficient de transfert thermique (HTC) décrit la qualité du transfert de chaleur vers et depuis un fluide par convection. Dans le cas du traitement des composites, le HTC détermine la qualité du transfert de chaleur de l'environnement vers l'assemblage outil-pièce et vice versa. Plusieurs facteurs peuvent influencer le HTC. Il s'agit notamment de la vitesse de l'air, de la densité de l'air, de la pression, de la température, de la forme de la pièce, de son emplacement et du volume de l'équipement. Si l'air environnant (ou un autre fluide) se déplace rapidement, le transfert de chaleur par convection est beaucoup plus efficace qu'avec de l'air stagnant en raison du nombre accru d'interactions moléculaires. Par conséquent, une vitesse de flux d'air plus élevée se traduit par un HTC plus élevé. Bien entendu, pour que le flux d'air soit vraiment efficace pour chauffer/refroidir la pièce, il doit toucher de manière égale toutes les sections de la pièce. Cela signifie avoir un champ de flux d'air bien réparti ou une pièce bien placée. Cela pose particulièrement problème si l'outil, la pièce ou l'équipement présentent des caractéristiques géométriques qui bloquent ou réduisent le flux d'air dans certaines zones. De même, si plusieurs pièces sont durcies ensemble, un ensemble outil-pièce peut empêcher le flux d'air d'atteindre l'autre. Le facteur suivant qui affecte le HTC est la pression. Dans un système sous pression à volume constant (comme un autoclave), l'augmentation de la pression d'air augmente la densité de l'air dans le système. Par conséquent, il y a plus d'interactions moléculaires entre l'assemblage outil-pièce et l'environnement, ce qui se traduit par un transfert de chaleur plus efficace (représenté par un HTC plus élevé). Pour les systèmes non pressurisés, comme dans un four ou une configuration à température ambiante, la densité de l'air est affectée par l'altitude. Les pièces durcies à une altitude plus élevée sont soumises à une densité d'air plus faible et donc à un HTC plus faible. Enfin, la diminution du volume du système thermique réduit les variations de température spatiales dans le système, permettant ainsi une distribution HTC plus uniforme sur la pièce.

Les valeurs typiques de HTC sont fournies dans le tableau ci-dessous. Il convient de noter que ces valeurs dépendent des conditions dans lesquelles elles ont été mesurées en fonction des facteurs susmentionnés. Il est possible que des valeurs en dehors de ces plages existent dans des conditions système différentes.

Valeurs HTC typiques pour différentes configurations d'équipement

Air stagnant	À l'extérieur avec du vent ou à l'intérieur avec un flux d'air	Four	Autoclave
2 à 10 W/m\(^2\)K	>15 W/m\(^2\)K selon la vitesse du flux d'air	15 à 50 W/m\(^2\)K	60 à 200 W/m\(^2\)K

Traitement à haute température - HTC

Plus le HTC est élevé, meilleur est le transfert de chaleur. Cela signifie qu'un HTC plus élevé réduira le décalage thermique entre la pièce et l'environnement. Non seulement cela aide à chauffer la pièce pendant le traitement à haute température, mais l'augmentation du HTC côté sac aide également à réduire le dépassement exothermique. La figure ci-dessous fournit trois valeurs de HTC. À savoir, 5 W/m\(^2\)K (indiquant une stagnation de l'air), 30 W/m\(^2\)K (indiquant une bonne circulation d'air dans un four) et 100 W/m\(^2\)K (indiquant une bonne circulation d'air dans un autoclave). Si l'air est stagnant, le décalage thermique entre l'air et la température de la pièce est important. L'augmentation du HTC à 30 ou 100 réduit considérablement ce décalage thermique. De plus, pour un HTC de 5 W/m\(^2\)K, le décalage thermique persiste tout au long de l'exothermie. Cela augmente le temps pendant lequel la pièce est au-dessus de la température maximale appliquée, augmentant ainsi considérablement le risque de dégradation thermique. L'augmentation du décalage thermique entre un environnement de chauffage à faible débit d'air (HTC faible) et un environnement de chauffage à bon débit d'air (HTC élevé) affecte également le DOC de la pièce. Bien que dans les trois cas, le DOC final de la pièce soit plus ou moins le même, le temps nécessaire pour atteindre un DOC élevé est beaucoup plus long pour l'air stagnant. Pour de nombreux époxydes, la gélification se produit autour de 50 % de DOC. Dans une situation telle que celle présentée ci-dessous, une pièce dans un environnement avec un HTC de 5 W/m\(^2\)K mettrait 3 heures pour atteindre sa gélification contre moins de 2 heures pour un HTC de 30. Atteindre un DOC élevé tôt peut aider à augmenter le rendement de l'usine, en réduisant le cycle de durcissement.

L'augmentation du HTC côté sac réduit non seulement le décalage thermique et la durée du dépassement exothermique, mais diminue également l'ampleur du dépassement lui-même. En effet, dès que la température de la pièce est supérieure à celle de l'air, l'air agit pour refroidir la pièce. Un HTC plus élevé est plus efficace pour ce faire et réduit donc la quantité de laquelle la température de la pièce augmente au-dessus de celle de l'air. C'est en fait ainsi que le HTC se comporte également pour le traitement à basse température.

Effet du coefficient de transfert de chaleur (HTC) pour le traitement à haute température. La vitesse de chauffe est de 1.5°C/min.

Bien qu'une augmentation du HTC côté sac contribue à réduire l'exothermie de la pièce, une augmentation du HTC côté outil n'a pas nécessairement le même effet. Pour les outils ayant une masse thermique élevée par rapport à la pièce, une augmentation du HTC côté outil augmentera en fait l'exothermie de la pièce. Inversement, si la masse thermique de l'outil est faible ou comparable à celle de la pièce, alors une augmentation du HTC côté outil contribue à réduire l'exothermie de la pièce. La figure ci-dessus suppose le même HTC côté sac et côté outil, mais les nuances entre les deux doivent être reconnues.

Pour en savoir plus sur la manière dont la masse thermique de l'outil et le HTC côté outil interagissent pour influencer la température de la pièce, reportez-vous au lien suivant : effet de l'outillage dans un système de gestion thermique - effets de la sous-structure et du HTC.

Traitement à basse température - HTC

La chaleur exothermique générée pendant le traitement à basse température est souvent souhaitable pour faire avancer la réaction de durcissement. C'est pourquoi, pour les basses températures ambiantes, un faible HTC peut être préférable. Un HTC de 0 indique que l'outil et/ou la pièce sont parfaitement isolés de l'environnement, ce qui signifie qu'il n'y a pas de transfert de chaleur par convection avec l'environnement. Inversement, un HTC élevé indique un transfert de chaleur par convection important avec l'environnement. Si la température de l'air est inférieure à celle de la pièce, le HTC agira pour refroidir la pièce conformément à la deuxième loi de la thermodynamique. De même, si la température de l'air est supérieure à celle de la pièce, le HTC agira pour chauffer la pièce. Par conséquent, l'isolation de la pièce peut être souhaitable pour les applications à basse température, tandis que pour les applications à haute température, l'inverse peut être vrai.

Considérez les figures ci-dessous. La température de l'air ambiant est de 15 °C et le HTC côté outil/côté sac varie respectivement de 0/0 à 30/30. À des valeurs de HTC plus élevées, la température maximale de la pièce diminue et le DOC final avec elle. Cela est dû au fait que le HTC élevé agit pour refroidir la pièce. On peut faire une analogie avec un ventilateur soufflant de l'air froid sur un objet chaud. Inversement, à des valeurs de HTC faibles, la température maximale de la pièce et le DOC augmentent. Cela est dû au fait que la pièce est isolée de l'environnement. Elle n'est plus, ou du moins moins, exposée à l'air froid. Par conséquent, elle peut chauffer jusqu'à une température plus élevée et atteindre un DOC plus élevé. Dans ce cas, la pièce peut être comparée à un objet chauffé de l'intérieur tout en étant également isolé de son environnement.

Effet du coefficient de transfert de chaleur (HTC) à basse température de l'air ambiant (15°C).

Dans les figures ci-dessus, pour les traitements à haute et basse température, on a supposé que les températures de surface supérieures et inférieures de la pièce étaient équivalentes. Dans de nombreuses situations, ce n'est pas le cas. En fonction de la distribution du flux d'air dans l'équipement et de la géométrie de l'assemblage outil-pièce, la température de surface peut varier le long des surfaces outil-pièce. Cela peut entraîner des incohérences dans la température de la pièce et son DOC final si cela n'est pas pris en compte. Pour en savoir plus sur la façon dont l'outil ou la pièce peut affecter la température de surface, visitez les pages suivantes :

• Effet de l'outillage dans le système de gestion thermique - configuration de l'outillage
• Effet de la forme dans un système de gestion thermique - configuration des pièces

Pour mesurer ou la modélisation flux d'air et détermination du HTC, reportez-vous aux liens suivants :

• Comment mesurer le débit d'air dans un système thermique
• Comment simuler le flux d'air dans un système thermique
• Comment déterminer expérimentalement le HTC
• Comment recalculer le HTC à l'aide de la simulation

Pour en savoir plus sur les équipements de chauffage par convection ou par conduction, visitez la page des équipements dans le volume Catalogue des systèmes.

• Équipement

Chauffage par conduction

Alors que dans un environnement de chauffage par convection, la surface d'une pièce peut présenter des gradients de température, dans un scénario de chauffage par conduction, la température de surface est généralement uniforme. Ceci s'explique par le contact direct entre la pièce et l'outillage chauffé. Par conséquent, si le contact entre l'outil et la pièce est optimal, la surface de la pièce atteint la même température que l'outillage, qui est directement contrôlé. Des gradients thermiques peuvent toutefois subsister au sein même de la pièce. Leur amplitude dépend des paramètres du système. Par exemple, une faible vitesse de chauffage, permettant un transfert de chaleur efficace, ou une pièce mince peuvent réduire l'inertie thermique. En effet, dans les mêmes conditions, l'inertie thermique entre le plan médian de la pièce et la source de chaleur est généralement inférieure dans un environnement de chauffage par conduction que dans un environnement de chauffage par convection, grâce à un meilleur transfert de chaleur en surface. Il en va de même pour l'exothermie : celle-ci est souvent plus faible dans un environnement de chauffage par conduction que dans un environnement par convection, pour des conditions identiques. Ceci est illustré dans les figures ci-dessous. Même avec un coefficient de transfert thermique (HTC) de 50 W/m²K ^, l'inertie thermique dans un système à convection (représentatif d'un four à flux d'air élevé) est significative comparée à l'inertie négligeable dans un système à conduction (représentatif d'une presse à chaud). Dans le cas du chauffage par conduction, une vitesse de chauffe de 100 °C/min est utilisée pour simuler un plateau préchauffé à 180 °C entrant en contact avec un outil/une pièce à température ambiante. Dans le cas du chauffage par convection, cette vitesse simule un four préchauffé à 180 °C. Il convient de noter qu'une vitesse de montée en température réelle de 100 °C/min est irréalisable pour la plupart des systèmes de chauffage par convection.

Un faible décalage thermique et une exothermie plus faible sont observés dans une configuration de chauffage par conduction par rapport à une configuration de chauffage par convection.

Chauffage par conduction	Chauffage par convection
Vitesse de chauffe de 3°C/min à 180°C	Vitesse de chauffe de 3°C/min à 180°C
Vitesse de chauffe de 100°C/min à 180°C - représentative d'une plaque préchauffée entrant en contact avec un outil/une pièce à température ambiante	Vitesse de chauffe de 100°C/min à 180°C - représentative d'un outil/pièce à température ambiante placé dans un four préchauffé

Dans de nombreuses applications de chauffage par conduction, comme le pressage à chaud par exemple, l'équipement est souvent préchauffé et maintenu à une température donnée avant d'entrer en contact avec l'outil ou la pièce . De ce fait, la vitesse de chauffage appliquée à la surface de l'outil est pratiquement infinie. Si l'outil est mince ou présente une diffusivité thermique élevée et une faible inertie thermique (comme l'aluminium), il subit des gradients thermiques négligeables et atteint très rapidement la température de l'équipement. En supposant un bon contact entre l'outil et la pièce, la température de surface de la pièce s'aligne sur celle de l'outil. Ainsi, la température de surface de la pièce est effectivement soumise à cette même vitesse de chauffage infinie, atteignant presque instantanément la température de l'équipement. Ceci peut engendrer d'importants gradients thermiques initiaux au sein de la pièce. Si le matériau ou l'épaisseur de l'outil est tel que son temps de chauffe est long, un préchauffage peut être effectué afin de réduire ce temps et d'améliorer la productivité.

Les gradients thermiques internes à l'intérieur de la pièce dépendent en grande partie de l'épaisseur de la pièce. Pour une pièce plus épaisse, les gradients thermiques seront plus importants et une exothermie plus sévère se produira. Considérez les figures ci-dessous. Une vitesse de chauffage rapide est utilisée pour simuler une presse préchauffée entrant en contact avec un outil/une pièce à température ambiante. L'outil et la surface de la pièce prennent la température de l'équipement. Cependant, des différences de température notables existent à l'intérieur de la pièce. Chaque ligne des figures représente 2 mm à l'intérieur de la pièce, de la surface au point médian. À 80 °C, il peut falloir jusqu'à 50 minutes pour que la pièce de 50 mm d'épaisseur atteigne une température uniforme. À 180 °C, l'exothermie subie par la pièce est importante. Il en résulte une inversion des gradients thermiques, où le centre de la pièce devient le plus chaud et la surface la plus froide. En fait, l'exothermie peut être suffisamment importante pour augmenter la température interne de la pièce de plus de 60 °C. De plus, il faut du temps pour que cette chaleur se dissipe, ce qui peut nuire à l'intégrité de la pièce. En raison de l'exothermie, dans le cas de 180°C, la température de la pièce n'est pas uniforme même après 60 minutes.

Gradients de température dans une pièce épaisse (50 mm) dans un environnement de chauffage par conduction. Chaque ligne représente 2 mm à l'intérieur de la pièce. La température de surface est la ligne droite.

Température appliquée à la surface de 80°C.

Température appliquée à la surface de 180°C.

De telles distributions de température au sein de la pièce doivent être prises en compte lors du chauffage par conduction et par convection. Si les variations sont importantes (comme c'est généralement le cas pour les pièces épaisses) et que le temps de durcissement est court, il est possible que le centre de la pièce reste non durci alors que la surface est entièrement durcie. Il est même possible que le centre ne soit pas durci et que le dessus soit trop durci. On peut faire une analogie avec la cuisson des hamburgers : si la température de surface est trop élevée, l'extérieur de la galette brûlera tandis que l'intérieur restera cru. Bien entendu, cette analogie ne prend pas en compte la nature exothermique des réactions de durcissement des polymères, qui est très importante.

Pour plus d'informations sur l'effet des paramètres de forme tels que l'épaisseur, ou sur la réalisation d'un profil thermique, visitez les liens ci-dessous.

• Effet de forme dans un système de gestion thermique
• Comment réaliser un profil thermique expérimental
• Comment réaliser un profil thermique numérique

Pour en savoir plus sur les équipements de chauffage par conduction ou par convection, visitez la page des équipements dans le volume Catalogue des systèmes.

• Équipement

Les scénarios

1. Un praticien utilise un époxy à durcissement à haute température (Hexcel 8552). Il suit le cycle de durcissement recommandé par le fabricant, mais la température maximale de la pièce pendant l'exothermie est trop élevée (205 °C) et ne répond pas aux exigences.

En réduisant la vitesse de chauffe de 1°C à 2°C, ils réduisent la température maximale de la pièce de 205°C à 192°C. Cependant, cette valeur reste supérieure à la température maximale requise et la pièce ne répond pas aux spécifications. Pour réduire encore la température maximale de la pièce, le praticien introduit un deuxième maintien intermédiaire à 150°C. Ce faisant, la pièce exotherme pendant ce deuxième maintien à 150°C, plutôt que juste avant le maintien final à 180°C. En conséquence, l'exothermie ne porte pas la température de la pièce au-dessus de 180°C et les exigences de température sont satisfaites. La pièce répond aux spécifications.

Si le temps de chauffe est bien choisi, le chauffage pendant que la chaleur exothermique descend peut aider à amener la pièce à température sans dépasser les exigences de température maximale. Cela permet non seulement à la pièce de satisfaire aux spécifications, mais contribue également à réduire la production d'énergie de l'équipement.

Choisir un cycle de durcissement approprié pour une pièce en carbone-époxy.

MRCC	Réduction du taux de rampe	Ajout d'une prise supplémentaire

2. Un fabricant de coques de bateaux utilise une résine polyester durcissant à basse température, durcie à l'extérieur sans apport de chaleur externe. Il constate que les pièces durcies les jours de vent ont des performances mécaniques inférieures, surtout en automne/hiver, mais même au printemps/été.

La raison en est que la vitesse de l'air plus élevée les jours de vent augmente le HTC. Pour les cuissons à basse température, où la chaleur dégagée pendant l'exothermie de la pièce est nettement supérieure à la température de l'air ambiant, un HTC accru agit pour refroidir la pièce en absorbant cette chaleur. Par conséquent, la température maximale de la pièce et la durée pendant laquelle la pièce reste à température élevée sont réduites. En conséquence, le degré final de cuisson de la pièce est également réduit. Cela a à son tour un impact sur les propriétés mécaniques finales de la pièce. Cet effet de refroidissement par un HTC accru devient moins drastique à mesure que la température de l'air ambiant augmente. C'est pourquoi le fabricant a remarqué une baisse particulière des performances mécaniques pendant l'automne/hiver, lorsque les températures de l'air ambiant sont basses.

Afin de limiter cette perte de chaleur, une stratégie efficace consiste à isoler la pièce, réduisant ainsi son exposition au vent et donc le HTC à sa surface. Le scénario se comporte à peu près de la même manière qu'une personne qui subit un refroidissement éolien. Le corps de la personne génère de la chaleur, qui est évacuée lorsqu'elle est exposée au vent. Lorsque la vitesse du vent augmente, le HTC augmente et la chaleur est évacuée plus rapidement. Pour lutter contre ce phénomène, les gens portent des vestes qui réduisent l'exposition de leur peau aux éléments, réduisant ainsi le transfert de chaleur par convection.

Relation entre la température de l'air ambiant et le HTC et le degré de durcissement.

Facteurs compliquants/cas limites

Il convient de noter que, bien que cette page démontre les effets généraux de l'équipement sur un système thermique, les chiffres générés sont spécifiques au matériau. Les résultats différeront selon les matériaux, même pour des systèmes de matériaux apparemment similaires (c'est-à-dire un système à base de résine polyester par rapport à un autre). De même, les changements dans d'autres paramètres de traitement tels que l'épaisseur de la pièce, l'épaisseur/le matériau de l'outillage et d'autres. Enfin, dans les courbes générées, les consommables n'ont pas été pris en compte pour des raisons de simplicité. Selon les consommables utilisés et leur épaisseur, ils peuvent avoir un effet notable sur la réponse de la pièce. Les résultats présentés ici sont uniquement destinés à souligner l'importance de l'équipement du point de vue de la gestion thermique.

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Références

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À propos	Aide

Un thème de traitement central dans le cycle de fabrication. Ce thème concerne la gestion de la réponse thermique des matériaux lors du stockage et de la manutention ou des pièces/outillages lors de leur chauffage ultérieur.

Le degré de durcissement (DOC) est une indication de l'avancement de la réaction de durcissement chimique (processus de réticulation) dans une résine thermodurcissable.

DOC est défini par un nombre entre 0 et 1 (ou 0% et 100%) où 100% est une résine entièrement durcie. Il n'est pas nécessaire qu'il atteigne 100 % à fond pour que la résine devienne solide ou la pièce à utiliser. Dans certaines applications aérospatiales, les résines ne sont durcies qu'à environ 90 %. Plus le degré de durcissement est élevé, plus les propriétés mécaniques sont élevées.

Fraction volumique de la matrice ou des fibres par rapport au volume total du composite (matrice + fibre).

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

La polymérisation des résines thermodurcissables est une réaction exothermique qui génère de la chaleur lors du durcissement. Une résine thermodurcissable peut libérer une certaine quantité d'énergie pendant son durcissement. Cette énergie est appelée chaleur totale de réaction, H_{_R}, exprimée en joules par gramme (J/g) (unité SI).

La chaleur de réaction pendant la polymérisation est mesurée à l'aide d'un équipement de calorimètre à balayage différentiel (DSC) mesurant beaucoup d'énergie/chaleur sortant de la réaction pour un petit échantillon de résine.

Les thermodurcissables sont une classe de polymères qui subissent une polymérisation et une réticulation pendant le durcissement à l'aide d'un agent durcissant et d'un chauffage ou d'un promoteur. Au départ, ils se comportent comme un fluide visqueux. Pendant le durcissement, ils passent d'un fluide visqueux à un gel caoutchouteux (matériau viscoélastique) et enfin à un solide vitreux.

S'ils sont chauffés après durcissement, ils deviennent initialement mous et caoutchouteux à des températures élevées. S'ils sont davantage chauffés, ils ne fondent pas mais se décomposent (brûlent)

Livré en deux parties : partie A (résine) et partie B (durcisseur). Lorsqu'il est mélangé, la réaction de durcissement commence et n'est pas réversible.

Les exemples incluent l'époxy ou le polyester.

Cycle de cuisson recommandé par le fabricant (MRCC).

L'utilisation de modèles multiphysiques pour prédire le résultat de scénarios réels. Peut être analytique (forme fermée, « calculs manuels ») ou informatique (la mise en œuvre sur ordinateur est requise en raison du grand nombre de calculs impliqués. Par exemple, méthode des éléments finis, méthode des différences finies)

Le plus souvent en ingénierie des matériaux composites, la modélisation désigne soit :

• Modélisation de processus (prédire les résultats de fabrication ou le problème inverse de la prédiction des paramètres de fabrication pour obtenir un résultat souhaité), ou
• Modélisation des performances (prédire la rigidité/résistance/adéquation d'une structure, ou le problème inverse des propriétés des matériaux et des exigences dimensionnelles pour obtenir la rigidité/résistance/adéquation souhaitée d'une structure)

(identique à "Simulation")

Une mesure quantitative de la façon dont un matériau répondra à des conditions thermiques transitoires. Il est défini comme le rapport de la conductivité thermique à la capacité thermique volumétrique du matériau (densité multipliée par la capacité thermique spécifique).

Les matériaux à grande diffusivité thermique ont une conductivité thermique élevée par rapport à leur capacité à stocker de l'énergie (capacité thermique) et répartiront rapidement l'énergie thermique dans tout son volume et changeront rapidement de température pour atteindre la nouvelle température d'équilibre.

Les matériaux à faible diffusivité thermique ont une faible conductivité thermique par rapport à leur capacité à stocker de l'énergie (capacité thermique) et auront une réponse de température lente à un changement des conditions thermiques (grand décalage de température). En effet, il faut plus d'énergie par unité de volume pour modifier la température, et la faible conductivité thermique signifie qu'il faut plus de temps pour répartir l'énergie thermique dans tout son volume.