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Thesis (PhD (Industrial Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Injection moulding of polymer components is subject to ever increasing demands for improved part quality and production rate. It is widely recognised that the mould cooling strategy employed is crucial to achieving these goals. A brief overview of injection moulding units and different types of injection moulds is given. The modern Additive Manufacturing (AM) technology for processing metal powders such as Direct Metal Laser Sintering (DMLS) and Selective Laser Melting (SLM) offers almost full freedom to the mould designer. Some of these modern manufacturing methods based on metal powders, which are able to produce complex cooling channels are analysed. A drastic change has entered the mould design domain - shifting the paradigm from design for manufacture to manufacture for design. In combination with suitable AM methods the concept of surface cooling moulds can now be efficiently implemented. This study presents a new approach of predicting the minimum cooling time required for the produced part. Different cooling layouts are analysed taking the heat transfer into consideration. The lumped heat capacity method is implemented in this research in order to determine the minimum cooling cycle time required. A new approach was developed to determine the most suitable cooling layout configuration, such as conventional cooling, conformal cooling or surface cooling, required for a moulded part based on its characteristics such as shape complexity, space available for the cooling layout, part quality requirements, production volume, and product life cycle. A mould cooling design process including simulation, reverse engineering and manufacturing of the mould insert was implemented in this study. In order to validate the generic model developed during the course of this research comparative experiments were carried out to determine the difference in performance of injection moulding using conventional or surface cooling methods. The experimental results showed a significant improvement in part quality produced with reduced cycle times using the surface cooling method. / AFRIKAANSE OPSOMMING: ‘Injection Moulding’ van polimeer komponente word al meer gedruk vir verbeterde kwaliteit en vinniger produksie tyd. Dit is orals bekend dat die gietvorm afkoeling strategie ‘n groot rol speel om hierdie twee doelwitte te bereik. Eers word ‘n kort oorslag gegee van ‘Injection Moulding’ eenhede en van verskillende ‘Injection Moulding’ vorms. Die moderne Aditatiewe Vervaardigingstegnologie vir die prosessering van metaal poeiers soos bv. Direkte Metaal Laser Sintering (DMLS) en Selektiewe Laser Smelting (SLM) bied basies volle vryheid ten opsigte van gietvorm ontwerp. Party van die moderne vervaadigings metodes, wat op metaal poeiers gebaseer is, wat komplekse koelings kanale kan produseer word geanaliseer. Die ontwerpers arena het ‘n groot verandering ondergaan deurdat die fokus van ontwerp vir vervaardiging verskuif het na vervaardiging vir ontwerp. In kombinasie met toepaslike aditatiewe vervaardigings metodes kan oppervlak verkoeling nou effektief geïmplementeer word. Hierdie studie bied a nuwe manier om die minimum verkoelings tyd benodig vir ‘n part te voorspel. Verskeie verkoelings uitlegte word geanaliseer waar hitte oordrag in ag geneem word. Die “lumped heat capacity” metode word gebruik om die minimum siklus tyd te bepaal. ‘n Nuwe benadering is ontwikkel om die mees geskikste verkoelings uitleg soos bv. konvensionele verkoeling, konvorme verkoeling of oppervlak verkoeling te bepaal vir ‘n spesifieke part gebaseer op die part se vorm kompleksiteit, spasie beskikbaar vir verkoelings kanale, kwaliteit vereistes en produk lewensiklus. Die volgende is in die studie geïmplementeer: ‘n vorm verkoelings ontwerp proses met simulasie, ‘reverse engineering’ en vervaardiging van die vorm insetsel. Om die generiese model te verifieer gedurende die studie is vergelykende eksperimente uitgevoer om die verskil in prestasie te bepaal tussen die gebruik van konvensionele en oppervlak verkoelings metodes. Die eksperimentele resultate het ‘n beduidende verbetering in part kwaliteit getoon met ‘n verkorte siklus tyd tydens die gebruik van die oppervlag verkoelings metode.

Les composites à matrice polymère sont de plus en plus utilisés dans le secteur automobile. Afin de remplir les conditions exigeantes du cahier des charges vis-à-vis des conditions de mise en service, les pièces en composite doivent maintenir leur forme géométrique sous des conditions thermo-mécaniques parfois extrêmes. Par exemple, un assemblage de hayon composite est soumis à des contraintes mécaniques élevées associées à des variations de température importantes lors des essais de validation du cahier des charges. Les enjeux de la thèse sont axés sur l’aide à la conception dans le domaine quasi-statique de pièces industrielles injectées en thermoplastique renforcé de fibres discontinues. L’amélioration des outils numériques doit permettre un dimensionnement virtuel optimal de ces pièces en anticipant les variations rencontrées en service et les distorsions résiduelles résultantes de chargements thermo-mécaniques. Cette démarche s’appuie sur la connaissance du comportement thermo-mécanique du matériau de l’étude, celui du renfort de hayon, un polypropylène renforcé à 40% en masse de fibres de verre discontinues, et sur la modélisation du comportement de ce type de matériau. / Discontinuous fibers reinforced thermoplastic materials have been widely used for several years in the automotive industry. These parts must resist demanding service life conditions and must meet thermo- mechanical specifications. Indeed, structural automotive spare parts have to endure high temperatures, like a few tens of degrees Celsius, for a long duration, at least a few hours. As an example, a structural part of tailgate is subject to high mechanical loading, associated to strong temperature variations, during the validation test, regarding specifications. The purpose of this work is to improve the design of complex industrial parts, like the tailgate in quasi-static domain, by relying on numerical simulation. One of the challenges related to the use of such material, is to have a reliable virtual design of industrial parts by predicting the geometrical variations during service life conditions, and residual strain. Therefore, it is necessary to characterize and to model the thermo-mechanical behavior of the tailgate material, a polypropylene matrix reinforced with discontinuous glass fibers, with a given mass fraction of 40%

O uso de moldes-protótipo é uma opção para a obtenção de protótipos funcionais de peças de plástico injetadas. Estes protótipos devem possuir características mecânicas e físicas as mais próximas possíveis das peças finais obtidas em moldes de produção. A fim de diminuir o custo e o tempo de fabricação destes moldes, materiais alternativos, tais como o alumínio e ligas de zinco, podem ser empregados. Os diferentes níveis de condutividade térmica desses materiais resultam em diferentes taxas de resfriamento do polímero, o que pode influenciar nas propriedades mecânicas do moldado. O objetivo geral deste trabalho é entender a influência do material do molde-protótipo (zamac-8) e também da variação da temperatura do molde (TMolde) e da temperatura do fundido (TFund) nas propriedades mecânicas do moldado em Polipropileno (PP). Pretende-se então averiguar se existem parâmetros de temperatura que possam permitir a obtenção de protótipos funcionais com características próximas as de peças injetadas em molde de aço. O efeito do material zamac-8, da TMolde e da TFund sobre as propriedades do moldado foi avaliado através da comparação com um moldado injetado em um molde em aço. As técnicas de caracterização das amostras incluíram os ensaios de tração, impacto e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Os resultados mostraram que o molde- protótipo em zamac-8 possui influência significativa somente para a energia de impacto. Com a variação da TMolde e da TFund foram obtidos moldados com diferentes propriedades no molde-protótipo em zamac-8, confirmando a influência da variação destes fatores sobre o moldado. Desta forma, foi possível criar um modelo de regressão onde através da otimização dessas temperaturas é possível predizer um resultado. Assim, para este estudo, foi possível diminuir a influência do uso do zamac-8 sobre o moldado, sendo que a regressão mostrou-se uma ferramenta importante na busca de protótipos funcionais com propriedades mecânicas mais próximas do produto final. / The use of prototype tooling is an option to obtain functional prototype of injection molded plastic parts. These prototypes should have mechanical and physical characteristics as close as possible to the final parts obtained in production molds. In order to reduce manufacturing cost and time of these molds, alternative materials, such as aluminum and zinc alloys, can be employed. The difference in thermal conductivity of these materials results in a variation of the cooling rates, which can influence the mechanical properties of the moldings. The main objective of this work is to understand the influence of the prototype tooling material (zamak-8) and also the variation of mold temperature (TMold) and the melt temperature (TMelt) on the mechanical properties of Polypropylene (PP). The idea is then to verify if these temperature parameters may allow obtaining functional prototypes with similar characteristics to the PP injected in a steel mold. The influence of the zamak-8 material and the TMold and TMelt on the properties of the molding was studied by comparison with the molding injected in a steel mold. The characterization techniques used were tensile and impact tests and differential scanning calorimetry (DSC). The results showed that the prototype tooling using zamak-8 has a significant influence only in the impact energy. By varying the TMold and TMelt, moldings injected in the prototype tooling with zamak-8 were obtained with different properties, confirming the influence of these parameters on the molding. In this way, a regression model was developed where, by optimizing these temperatures, it is possible to predict a result. Thus, in this study it was possible to reduce the influence of the zamak-8 on the molded, and regression was shown to be an important tool in the search for functional prototypes closer mechanical properties of the final product.

A razão da existência de um molde-protótipo é de se obter rapidamente um injetado com o mesmo material e utilizando o mesmo processo de fabricação do produto final, com baixo custo. Seus injetados podem servir como protótipos, lotes pilotos, pré-séries ou ainda cobrirem a necessidade de uma baixa demanda de produto ou de pequenos lotes. Critérios de manufaturabilidade e de qualidades mecânicas são importantes na fabricação do molde-protótipo. Entretanto, além destes critérios, este molde deve ser capaz de produzir um injetado com qualidade semelhante ao produto injetado em um molde convencional. Observa-se, no entanto, que são escassos os estudos referentes à utilização de material alternativo para molde-protótipo e a influência deste material no produto injetado. Desta forma, o objetivo principal deste estudo é caracterizar um molde-protótipo usinado em liga de zinco (zamac-8), através da análise das propriedades físicas (Microscopia Eletrônica de Varredura com Energia Dispersiva de Raio-X, MEV-EDS) e mecânicas (Ensaios de Tração e Flexão) do polipropileno (PP) injetado nesta ferramenta e compará-lo ao injetado em aço. Os resultados demonstram que o PP injetado em zamac-8 possui características similares ao moldado em aço, sem apresentar contaminação. Assim, este material pode ser recomendado para esta finalidade. / The reason for the existence of a prototype mold is to obtain a quickly injected with the same material and using the same manufacturing process of the final product with low cost. Their models can serves as prototypes, pilot batches, preseries or the need to cover a lower demand for products or small batches. Criteria for manufacturability and mechanical qualities are important in the manufacture of prototype mold, but these criteria are only valid if this mold is capable of producing injected with a similar quality to the product injected into a conventional mold. However, there are few studies concerning the use of alternative material for prototype mold and the influence of that material into the product injected. Thus, the main objective of this study is to characterize a prototype mold machined in zinc alloy (Zamak-8), by analyzing the physical properties and mechanical properties of the polypropylene (PP) injected into this tool and compare it injected into the steel. The results show that the PP injected into zamac-8 has characteristics similar to the injected in steel mold, without contamination. Thus, this material can be recommended for the purpose for injection mold.

O uso de moldes-protótipo é uma opção para a obtenção de protótipos funcionais de peças de plástico injetadas. Estes protótipos devem possuir características mecânicas e físicas as mais próximas possíveis das peças finais obtidas em moldes de produção. A fim de diminuir o custo e o tempo de fabricação destes moldes, materiais alternativos, tais como o alumínio e ligas de zinco, podem ser empregados. Os diferentes níveis de condutividade térmica desses materiais resultam em diferentes taxas de resfriamento do polímero, o que pode influenciar nas propriedades mecânicas do moldado. O objetivo geral deste trabalho é entender a influência do material do molde-protótipo (zamac-8) e também da variação da temperatura do molde (TMolde) e da temperatura do fundido (TFund) nas propriedades mecânicas do moldado em Polipropileno (PP). Pretende-se então averiguar se existem parâmetros de temperatura que possam permitir a obtenção de protótipos funcionais com características próximas as de peças injetadas em molde de aço. O efeito do material zamac-8, da TMolde e da TFund sobre as propriedades do moldado foi avaliado através da comparação com um moldado injetado em um molde em aço. As técnicas de caracterização das amostras incluíram os ensaios de tração, impacto e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Os resultados mostraram que o molde- protótipo em zamac-8 possui influência significativa somente para a energia de impacto. Com a variação da TMolde e da TFund foram obtidos moldados com diferentes propriedades no molde-protótipo em zamac-8, confirmando a influência da variação destes fatores sobre o moldado. Desta forma, foi possível criar um modelo de regressão onde através da otimização dessas temperaturas é possível predizer um resultado. Assim, para este estudo, foi possível diminuir a influência do uso do zamac-8 sobre o moldado, sendo que a regressão mostrou-se uma ferramenta importante na busca de protótipos funcionais com propriedades mecânicas mais próximas do produto final. / The use of prototype tooling is an option to obtain functional prototype of injection molded plastic parts. These prototypes should have mechanical and physical characteristics as close as possible to the final parts obtained in production molds. In order to reduce manufacturing cost and time of these molds, alternative materials, such as aluminum and zinc alloys, can be employed. The difference in thermal conductivity of these materials results in a variation of the cooling rates, which can influence the mechanical properties of the moldings. The main objective of this work is to understand the influence of the prototype tooling material (zamak-8) and also the variation of mold temperature (TMold) and the melt temperature (TMelt) on the mechanical properties of Polypropylene (PP). The idea is then to verify if these temperature parameters may allow obtaining functional prototypes with similar characteristics to the PP injected in a steel mold. The influence of the zamak-8 material and the TMold and TMelt on the properties of the molding was studied by comparison with the molding injected in a steel mold. The characterization techniques used were tensile and impact tests and differential scanning calorimetry (DSC). The results showed that the prototype tooling using zamak-8 has a significant influence only in the impact energy. By varying the TMold and TMelt, moldings injected in the prototype tooling with zamak-8 were obtained with different properties, confirming the influence of these parameters on the molding. In this way, a regression model was developed where, by optimizing these temperatures, it is possible to predict a result. Thus, in this study it was possible to reduce the influence of the zamak-8 on the molded, and regression was shown to be an important tool in the search for functional prototypes closer mechanical properties of the final product.

A qualidade final dos produtos poliméricos moldados por injeção pode ser comprometida devido à ocorrência de tensões residuais provenientes do processo de moldagem, as quais podem gerar contrações e empenamentos, alterando as dimensionais finais do produto. A determinação das tensões residuais pode ser realizada pelo método do furo cego, ensaio pouco difundido para materiais poliméricos pois é normalizado para materiais metálicos. Assim, com o objetivo de avaliar os parâmetros que influenciam nas alterações dimensionais e nas tensões residuais do polipropileno moldado por injeção, este trabalho utilizou simulações computacionais, análises térmicas, medições de empenamento e contração, ensaios de resistência à tração e ao impacto e avaliação das tensões residuais via método do furo cego. Após a moldagem, os corpos de prova foram submetidos a três condições pós-moldagem (restrição física + água, restrição física + estufa, neutro). Nos ensaios experimentais os corpos de prova moldados com menores pressões de recalque, como também os moldados com nervuras apresentaram maiores empenamentos, o que corroborou as simulações computacionais e a literatura. Nas condições pós-moldagem observou-se que os corpos de prova lisos submetidos à restrição física + estufa apresentaram menores empenamentos em relação aos que não foram submetidos à essa condição. Em relação às contrações, para ambas as geometrias dos corpos de prova, não houve variações significativas das médias. A análise térmica apontou menor grau de cristalinidade nas amostras com condição pós-moldagem neutra em relação à condição restrição física + estufa. As análises das tensões residuais concluíram que os corpos de prova com nervuras apresentaram tensões residuais superiores aos corpos de prova lisos, o que corroborou a literatura que indica maior concentração de tensões residuais em peças de geometrias complexas. Devido ao alívio das tensões, os corpos de prova lisos com maiores empenamentos apresentaram menores tensões residuais. Foi observado que a restrição física utilizada para restringir o empenamento auxiliou na retenção das tensões residuais na estrutura do polímero. Assim, considerando os recursos utilizados neste estudo, mostrou-se que o empenamento está relacionado com a geometria do produto, com os parâmetros de processo, com as condições pós-moldagem e com o alívio de tensões residuais existentes na estrutura do polipropileno moldado por injeção. / The final quality of the injection molded polymer products can be compromised due to the occurrence of residual stresses from the molding process, which can generate shrinkage and warpage, altering the final product dimensions. The determination of the residual stresses can be carried out by the hole-drilling method, which is not widely used for polymeric materials since it is standardized for metallic materials. Therefore, in order to evaluate the main parameters that influence in the dimensional change and in the residual stresses of the injection molded polypropylene, this report used computer simulation, thermal analysis, warpage and shrinkage measurements, tensile and impact strength tests and evaluation of the residual stresses by hole-drilling method. After molding, the specimens were submitted to three post-molding conditions (physical restraint + water, physical restraint + heating chamber, neutral). In the experimental tests, the molded specimens with lower packing pressure, as well as the ribbed molded showed greater warpage, which corroborated the computer simulations and the literature. In the post-molding conditions, it was observed that the smooth specimens submitted to the physical restraint + heating chamber showed lower warpage in relation to those that were not submitted to this condition. Regarding the shrinkage, for both geometries specimens, there were not significant variations of the averages. The thermal analysis presented lower crystallinity in the specimens with neutral post-molding condition in relation to the physical restraint + heating chamber condition. The residual stresses analysis concluded that ribbed specimens showed greater residual stresses than smooth specimens, which corroborates the literature which indicates higher concentration of residual stresses in complex geometries parts. Due to the residual stresses relief, smooth specimens with greater warpage showed lower residual stresses. It was observed that the physical restraint used to restrain warpage assisted the retention of residual stresses in the polymer structure. Therefore, considering the resources used in this study, it was showed that the warpage is related to the product geometry, to the process parameters, the post-molding conditions and the residual stress relief existing in the injection molded polypropylene structure.