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English title:	Experimental and numerical analysis of the thickness distribution in the high impact polystyrene thermoforming process
Spanish title:	An�lisis experimental y num�rico de la distribuci�n de espesores en el proceso de termoformado de poliestireno de alto impacto
English abstract:	Thermoforming is one of the first processes used in the plastics industry where a thermoplastic sheet is processed into a new shape using heat and pressure; during this processing, the material undergoes differential stretching as it is shaped because only the region of the sheet that is free from the mold is stretched. As a result, the wall thickness of the formed product is not uniform. There are techniques such as pre-stretching (mechanical or pneumatic) of the hot sheet before pulling against the mold surface, which manages to improve the thickness distribution by only up to 20%, which is not enough to meet the design requirements. Polymer thermoforming depends on the processing parameters (temperature, draw speed and flow rate). The main question when designing a thermoformed product is to know its real thickness distribution. Non-uniformities in the thickness distribution in the product are frequently observed. It has been found that the processing parameters of thermoplastics are determinant in the thickness distribution, and are obtained by the trial-error method, accounting for time losses in the calibration of the thermoforming machine. Variations in thickness occur during processing and development in two stages: (i) the first occurs while the material is heated to soften the sheet, this thinning occurs over the entire surface of the sheet, and (ii) the second stage occurs during forming when the softened sheet is forced to take the shape of the mold and undergoes three-dimensional stretching by pressure or vacuum. The finite element method is an alternative that allows modeling the thermoforming process and validating its results with experimental tests, which is an effective option to improve the results of conventional methods. Due to the reduced thickness of the polymeric sheets, using algorithms that can analyze the system where dynamic finite deformations of flat elements occur is recommended. Through specialized software, it is possible to apply different constitutive equations; but the most precise description of the behavior of the polymer sheet can be obtained with the integral viscoelastic constitutive model of Kaye, Bernstein, Kearsley, and Zapas. In this research work, a numerical and experimental analysis of a hemispherical component of high-impact polystyrene produced by thermoforming is presented. Initially, capillary rheology tests were performed to determine the rheological model constants that were later fed into the numerical analyses. The numerical simulations of the thermoforming process were carried out using the Polyflow module of ANSYS version 2021 R2, through the use of algorithms that allow the analysis of the dynamic finite deformations of flat elements. The effect of different vacuum pressures on the wall thickness distribution of the product was evaluated. To validate the results of the simulations, the component was manufactured using a semi-industrial thermoforming machine equipped with a positive mold. All process parameters were monitored. Finally, the results of the simulations with the experimental values were validated, finding a great coincidence between them.
Spanish abstract:	El termoformado es uno de los primeros procesos usados en la industria del pl�stico donde una l�mina termopl�stica se procesa en una nueva forma utilizando calor y presi�n; durante este procesamiento el material experimenta un estiramiento diferencial, a medida que se conforma debido a que solo se estira la regi�n de la l�mina que est� libre del molde. Como resultado, el espesor de la pared del producto formado no es uniforme. Existen t�cnicas como el pre-estiramiento (mec�nico o neum�tico) de la l�mina caliente antes de tirar contra la superficie del molde, que consigue mejorar la distribuci�n del espesor solo hasta un 20%, lo cual no es suficiente para cumplir con los requisitos de dise�o. El termoformado pol�meros depende de los par�metros de procesamiento (temperatura, velocidad de estiramiento y tasa de flujo). La principal interrogante al dise�ar un producto termoformado, es conocer su distribuci�n real del espesor. Con frecuencia se observan no uniformidades en la distribuci�n del grosor en el producto. Se ha encontrado que los par�metros de procesamiento de los termopl�sticos son determinantes en la distribuci�n del espesor, y son obtenidas por el m�todo de prueba error, ocasionando p�rdidas de tiempo en la calibraci�n de la m�quina termoformadora. Las variaciones en el espesor se producen durante el procesamiento y se desarrollan en dos etapas: (i) la primera se produce mientras se calienta el material para reblandecer la l�mina, este adelgazamiento ocurre en toda la superficie de la l�mina, (ii) la segunda etapa se produce durante el conformado cuando la l�mina, reblandecida, es forzada a tomar la forma del molde y experimenta un estiramiento tridimensional por acci�n de la presi�n o del vac�o. El m�todo de los elementos finitos es una alternativa que permite modelar el proceso de termoformado y validar sus resultados con ensayos experimentales, lo que constituye una opci�n efectiva para mejorar los resultados de los m�todos convencionales. Debido al reducido espesor de las l�minas polim�ricas, se recomienda el uso de algoritmos que pueden analizar el sistema en donde ocurren deformaciones finitas din�micas de elementos planos. Mediante el uso de software especializado es posible aplicar diferentes ecuaciones constitutivas, pero la descripci�n m�s precisa del comportamiento de la l�mina polim�rica se puede obtener con el modelo constitutivo viscoel�stico integral de Kaye, Bernstein, Kearsley y Zapas. En el presente trabajo se presenta un an�lisis num�rico y experimental de un componente semiesf�rico de poliestireno de alto impacto producido mediante termoformado. Inicialmente, se realizaron ensayos de reolog�a capilar para determinar las constantes del modelo reol�gico que fueron posteriormente alimentadas en los an�lisis num�ricos. Las simulaciones num�ricas del proceso de termoformado se realizaron mediante el m�dulo Polyflow de ANSYS versi�n 2021 R2, mediante el uso de algoritmos que permiten analizar las deformaciones finitas din�micas de elementos planos. Se evalu� el efecto de diferentes presiones de vac�o sobre la distribuci�n del espesor en la pared del producto. Para validar los resultados de las simulaciones, se fabric� el componente empleando una m�quina termoformadora semi industrial dotada de un molde positivo. Todos los par�metros del proceso fueron monitoreados. Finalmente se validaron los resultados de las simulaciones con los valores experimentales, encontrando gran coincidencia entre ellos.
Topic:
Presentation Type:
Speaker:

Authors

Name	Institution	Email
Jorge Fajardo	Universidad Polit�cnica Salesiana	jfajardo@ups.edu.ec
C�sar A. Palt�n	Universidad Polit�cnica Salesiana	cpaltan@ups.edu.ec
Enrique G. �lvarez	Universidad Polit�cnica Salesiana	ealvarezh@est.ups.edu.ec

Presentation

Room:	Principal Room
Date:	25 July 2022
Hour:	09:20 - 09:40

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