Effects of process parameters on injection molding of thermoplastics: in-cavity properties and mechanical characterization

Injection molding is one of the main processes of plastics manufacturing which allows the production of a high number of components in short time and with reduced cost. The complexity of polymer behavior in solid-liquid and liquid-solid phase transformations may not lead to meet the product quality standards from a dimensional, aesthetic and mechanical point of view. These objectives must be achieved by means of a stable and monitored production process. For this reason, the use of sensors in molds is more and more frequent. Indeed, they allow to control the polymer melt properties, which are closely related to the molding parameters set in the machine. These parameters can also affect the mechanical properties of products as they depend on the microstructure conferred by the process. This thesis develops an experimental system for the production of standard specimens for mechanical tests by injection molding of thermoplastics. For this purpose, a mold has been designed for the manufacturing of ISO 3167 type A and B specimens for quasi-static, bending, HDT and Charpy tests. In addition, the mold can produce cylindrical specimens suitable for dynamic compression test, using the Hopkinson bar technique. The mold is equipped with in-cavity pressure and temperature sensors, which allow direct monitoring of the process. The research activity focuses on the effect of molding parameters on in-cavity properties and on mechanical properties of molded polymers. The experimental campaign has been planned using DOE techniques, aimed at the optimization of tests to be carried out. The effects of the process were evaluated on a commercial polypropylene. The ranges of variation of molding parameters have also been assessed by means of numerical process simulations using Moldex3D software. Results have been reported in terms of main effects and interactions. The mold temperature turned out to be the most relevant molding parameter, for what concerns mechanical analysis. For this reason, a second experimental campaign has been carried out to characterize the polypropylene, produced at different mold temperatures, under different test temperature and strain rate conditions. A constitutive model present in the literature has been modified and adapted to take into account the different test conditions; the coefficients of the constitutive model have been calibrated by means of an analytical inverse procedure. Finally, a subroutine has been developed that allowed to implement the model as user-defined material into a commercial FEM code; in this way the experimental tests have been reproduced numerically and the overall characterization has been validated.

Lo stampaggio a iniezione è uno dei principali processi di trasformazione delle materie plastiche che consente di produrre un elevato numero di pezzi in tempi e costi ridotti. La complessità del comportamento dei polimeri nelle trasformazioni di fase solido-liquido e liquido-solido può causare il mancato raggiungimento degli standard di qualità del prodotto sotto i punti di vista dimensionale, estetico e meccanico. Questi obiettivi possono essere raggiunti solo tramite un processo produttivo stabile e monitorabile. Per questo motivo è sempre più ricorrente l’utilizzo di sensori installati negli stampi per controllare le proprietà del fuso polimerico, che sono strettamente connesse ai parametri di stampaggio impostati in macchina. Questi ultimi possono anche condizionare le caratteristiche meccaniche dei manufatti in quanto dipendono dalla microstruttura conferitagli dal processo. In questa tesi viene messo a punto un sistema sperimentale per la produzione di provini standard per test meccanici tramite il processo di stampaggio a iniezione di termoplastici. A tal scopo è stato progettato uno stampo per la realizzazione di provini ISO 3167 di tipo A e B, per test di trazione quasi statica, a flessione, HDT e Charpy. Inoltre lo stampo permette di ottenere provini di forma cilindrica adatti al test di compressione dinamica alla barra di Hopkinson. Lo stampo è equipaggiato con sensori di pressione e temperatura in cavità, che permettono un monitoraggio diretto del processo. L’attività di ricerca si focalizza sull’effetto dei parametri di stampaggio sulle proprietà misurate in cavità e sulle proprietà meccaniche dei polimeri stampati. La campagna sperimentale è stata pianificata mediate tecniche DOE, finalizzate all’ottimizzazione delle prove da effettuare. Gli effetti del processo sono stati valutati su un polipropilene commerciale. Gli intervalli di variazione dei parametri di stampaggio sono stati valutati anche grazie all’ausilio di simulazioni numeriche di processo tramite il software Moldex3D. I risultati sono stati riportati in termini di effetti principali e interazioni. Per quanto riguarda le analisi meccaniche, la temperatura dello stampo è risultata essere il parametro di stampaggio più influente. Per questo motivo è stata condotta una seconda campagna sperimentale volta a caratterizzare il polipropilene, ottenuto a diverse temperature dello stampo, in differenti condizioni di temperatura di test e velocità di deformazione. Un modello costitutivo presente in letteratura è stato modificato e adattato per tener conto delle diverse condizioni di prova; i coefficienti del modello costitutivo sono stati calibrati mediante una procedura analitica inversa. Infine, è stata sviluppata una subroutine che ha permesso di implementare il modello come materiale definito dall’utente in un codice FEM commerciale; in questo modo le prove sperimentali sono state riprodotte numericamente e la caratterizzazione complessiva è stata convalidata.