Ultrasonic nodal point: a new configuration for ultrasonic moulding. Advances towards the complete industrialisation of the technology

Abstract

(English) Ultrasonic moulding is a promising technology that could be used as a substitute for conventional injection moulding techniques. This relatively new technology has a lower energy consumption, and it could be a sustainable altemative in an industrial environment. In addition, the supply of material processed in ultrasonic moulding is delivered shot-by-shot, which makes this technology very adequate to process short batches of samples without wastage. However, up to now, ultrasonic moulding technology has not been adopted in industrials environrnents due to its lack of robustness and poor repeatability found in its results. In addition, the little knowledge about the influence of the process parameters in the polymer melt is also a handicap for the industrial operator. In this dissertation, applied research and numerical simulation was carried out to improve the ultrasonic moulding technology and to deepen the knowledge ofthe process to promote its industrialization. With this aim, this thesis presents three main areas of work. First, a study of the evolution of ultrasonic moulding machines and configurations was perforrned. This review analysed the experiments published in the literature along with the main conclusions and drawbacks found. On that basis, the developrnent and validation of a new configuration for ultrasonic moulding was done, leading to a great improvement over the performance of the method in terms of repeatability and reduction of impurities in the samples. This new configuration was applied to process polyexymethylene and cyclic olefin polymer, and the results were comparad to the conventional injection moulding. This analysis reveals that the developed rnethod is able to correctly process polymers in a repetitiva way, making ultrasonic moulding a reliable technology for the industry. Finally, research was carried out to study the viscoelastic behaviour of ultrasonic heating of polypropylene cylinders. Results obtained from the numerical simulation of the process were comparad to experimental measurements done with an infrared carnera. The analysis of the results showed an inhomogeneous temperatura distribution along the cylinder and different heating steps can be identified over time. In addition, the comparison between the nurnerical and the experimental results showed that the interaction between the sample and the rnould directly influences the temperatura distribution along the cylinder. Finally, the effect of the main parameters in ultrasonic heating was obtained, both numerically and experimentally, and comparad. As a result, the research perforrned in this dissertation improves the applicability of ultrasonic moulding technology in industrial environments by increasing its repeatability and robustness, and contributing to a better understanding of its main parameters.

(Català) L'emmotllament per ultrasons és una tecnologia prometedora que podría utilitzar-se com a substitut de les técniques convencionals d'emmotllarnent per injecció. Aquesta nova tecnologia consumeix menys energia i seria una alternativa més sostenible en un entom industrial. A més a més. en l'emmotllament per ultrasons el material a processar es subministra cicle a cicle, la qual cosa fa que aquesta tecnología sigui molt adequada per tractar lots curts de mostres sense tenir malbaratarnent. Tanmateix, a horas d'ara la tecnologia d'emmotllarnent per ultrasons no s'ha adoptat en entorns industriaIs a causa de la manca de robustesa i la poca repetibilitat deis seus resultats. D'altra banda, el poc coneixement sobre la influencia dels parametres del procés en l'escalfarnent del polímer també és una dificultat afegida pera l'operador industrial. En aquesta tesi s'ha dut a terme investigació aplicada i simulació numérica per millorar la tecnologia d'emmotllament per ultrasons i aprofundir en el coneixernent del procés per impulsar la seva industrialització. Amb aquest objectiu, aquesta tesi presenta tres grans eixos de treball. En primer lloc, s'ha realitzat l'estudi de l'evolució de les maquines i configuracions d'emmotllament per ultrasons. Aquesta revisió ha analitzat els experiments publicats a la literatura juntament amb les principals conclusions i inconvenients trobats. Partint deis resultats anteriors, s'ha fet el desenvolupament i la validació d'una nova configuració pera l'emmotllarnent per ultrasons que millora rnolt el rendirnent del métode en termes de repetibilitat i reducció d'impureses a les mostres. Aquesta nova configuració s'ha aplicat per processar polieximetilé i polfmer d'olefina cíclica, i els resultats s'han comparat amb l'emmotllament per injecció convencional. L'analisi deis resultats revela que el métode desenvolupat és capa de processar correctarnent els polírmers de manera repetitiva, fet que el converteix en una tecnología candidata per a la indústria. Finalment, s'ha investigat l'estudi de l'escalfament ultrasónic de cilindres de polipropilé pel seu comportament viscoelastic. Els resultats obtinguts de la simulació numérica del procés s'han comparat amb mesures experimentals fetes amb una camera infraroja. L'analisi dels resultats mostra una distribució de temperatures no hornogénia al llarg del cilindre i es poden identificar diferents etapes d'escalfament al llarg del temps. A més a més, la comparació entre els resultats numérics i experirnentals identifica la interacció entre la mostra i el motile com una influencia important en la distribució de la temperatura al llarg del cilindre. Finalment, s'obté l'efecte dels principals parametres en l'escalfament per ultrasons tant numérica com experimentalrnent. Així doncs, la investigació realitzada en aquesta tesi millora l'aplicabilitat de la tecnología d'emmotllament per ultrasons en entorns industrials, augmentant la seva repetibilitat i robustesa, i contribuint a una millar comprensió dels seus factors principals.