Integration of engineering, manufacturing and economic issues in design against impact of polymer automotive components

Abstract

This work investigates the influence of the injection molding conditions on the developed microstructure and consequently on the final mechanical properties of unreinforced polypropylene (PP). Also, it gives insights about the mechanical behavior dependency on time and temperature, considering meanwhile the process-induced microstructure. The properties are strongly affected by the morphology which is dictated thermomechanial environment. Therefore, a simulation chain from the injection molding simulation up to the structure simulation with appropriate micromechanical models was established and validated. PP tensile samples were obtained through controlled injection molding design of experiments with 25 different processing condition settings. The relationships between the resulting morphologies and the mechanical properties measured under different strain rates and temperatures were investigated. Polarized light microscopy, wide-angle X-ray scattering, and differential scanning calorimetry, were employed to assess the structural heterogeneity of the moldings. High velocity tensile tests and dynamic mechanical thermal analysis were carried out to study the thermo-mechanical response. The melt temperature was identified as the most significant variable for the development of the morphologies and the mechanical response of the moldings. According to the dynamic-mechanical thermal analysis, the mold wall temperature was found to have the highest influence on the storage static modulus and frequency sensitivity coefficient. The skin thickness, its crystallinity and molecular orientation (flow direction) influence, to a certain degree, the tensile properties of the materials. The most challenging issue of this thesis was the development/application of a simulation chain that links injection molding simulation and crash simulation. The objective is to discretize/map the mechanical properties over the entire domain of an injection moulded unreinforced thermoplastic model by considering the process-induced microstructure. It was essential to develop a dedicated computer application – based on the thermomechanical indices methodolgy – that allows importing computer aided flow study results and locally, i.e. per element of the meshed model, characterising the thermo mechanical environment. Mathematical functions have been used to correlate the TMI and the relevant mechanical properties of the thermoplastic moldings. A user defined material model can read those indices and translate them to local mechanical properties. The simulation chain approach was tested in a case-study component (toolbox). Different combinations of molding conditions were selected to manufacture several toolbox replicates. The injection molding process was simulated by means of Autodesk Moldflow Insight 2012 according to the production settings. Quasi-static (1 mm/s) and dynamic impact (3 m/s) tests were performed, the force-displacement curves being experimentally and numerically assessed. These tests have been simulated by using the finite element (FE) program LS-Dyna. The different imposed thermomechanical environments do not show noteworthy variations among the experiments, neither for quasi-static nor for dynamic simulations. The simulations under quasi-static loads overestimate the peak force of the material. However, the overall response (elastic and hardening) is somehow correct. In the case of dynamic loads, the simulations can predict the overall force-displacement curves. In spite of small, the variations among the machine settings observed in real tests are reproduced by the integrative methodology proposed.

Este trabalho investiga sobre a influência das condições de processamento no desenvolvimento da microestrutura e consequentemente nas propriedades mecânicas do polipropileno (PP) não-reforçado. Estuda também a dependência dessas propriedades em função da temperatura e tempo, considerando simultaneamente a morfologia determinada pelo processamento. As propriedades são largamente afetadas pela morfologia desenvolvida através do ambiente termomecanico. Por isso, esta tese estabelece valida uma metodologia de simulação em cadeia que relaciona resultados de simulação de injeção com resultados de simulação estrutural. Provetes de tração em PP foram obtidos pela tecnologia de moldação por injeção. O processo foi controlado através de um design de experiências com 25 condições de processamento diferentes. Foram investigadas as relações entre a morfologia obtida e as propriedades mecânicas medidas a diferentes temperaturas e taxas de deformação. Várias técnicas laboratoriais foram utilizadas para quantificar a herterogeneidade microestrutural das moldações, tais como: microscopia de luz polarizada, varrimento de raio-X em largos-angulos, calorimetria diferencial de varrimento, entre outras técnicas. Foram realizados ensaios de tração de alta velocidade e análises térmicas dinâmico-mecanicas para quantificar a resposta termomecânica dos provetes. A temperatura do fundido foi identificada como a variável mais significativa para o desenvolvimento microestrutural e consequente resposta mecânica. A temperatura do molde refletiu-se como a variável mais importante no modulo de armazenamento e no coeficiente de sensibilidade (relacionado com a frequência dos testes de dinâmico-mecanicos). As propriedades mecânicas dos materiais, são até certo nivel, ditadas pela espessura da casca dos provetes, a sua cristalinidade e orientação molecular. A tarefa mais desafiante desta tese foi o desenvolvimento a aplicação de uma metodologia de simulação em cadeia que co-relaciona resultados de simulação do processo de injeção com simulação de análise estrutural. O objetivo é discretizar/mapear as propriedades mecânicas no modelo tri-dimensional do componente, tendo em conta o ambiente termomecânico imposto durante o processamento. Para isso foi essencial o desenvolvimento de uma ferramenta computorizada, baseada na metodologia dos índices termomecânicos, que permitiu exportar resultados de simulação de injeção e quantificar esse ambiente termomecânico para cada elemento finito da malha. Os índices termomecânicos foram relacionados matematicamente com as propriedades mecânicas. As relações matemáticas obtidas por este processo semi-empirico foram depois incluídas nas equações constitutivas dos materiais que descrevem o comportamento mecânico. A metodologia proposta foi testada num componente tipo-caixa (toolbox). Foram selecionadas várias condições de processamento, previamente identificadas, para produzir as caixas de teste. O processo de injeção foi simulado através do Autodesk Moldflow Insight 2012 de acordo com o as condições de processamento reais. Ensaios quase-estáticos (1 mm/s) e dinâmicos (3 m/s) foram realizados, e as curvas força-deslocamento foram avaliadas experimentalmente e numericamente. Estes ensaios foram simulados através do programa de análise de elementos finitos LS-Dyna. Os ambientes termomecânicos determinados pelas diferentes condições de processamento revelaram variações diminutas para ambos os casos de simulação. As simulações quase-estáticas resultaram numa força de pico sobreavaliada. No entanto, a resposta experiemental global é de certa forma bem descrita pela simulação. No caso dos ensaios dinâmicos, a simulação consegue prever globalmente as curvas de força-deslocamento. Apesar de pequenas, as variações observadas entre as curvas experimentais obtidas pelas diferentes amostras / condições de processamento são reproduzidas pela metodologia de simulação em cadeia proposta.