Optimization of the quality performance of glass products by better knowledge of glass-metal contact and associated materials
Optimisation de la performance qualité des produits verriers par une meilleure connaissance du contact verre-métal et des matériaux associés
Résumé
Producing parts without surface defects is the major challenge for luxury glass companies. During the blow-and-blow forming process, the glass parison, with a low viscosity, comes into close contact with the mold surfaces. The quality of the final product will therefore depend on the nature of the mold, the surface conditions of the mold and the glass/mold interface temperature. Thus, controlling the heat exchange at the glass/mold contact interface and inside the mold is the key to the success of this type of process. For this purpose, the heat exchange and the adhesion between the glass at high temperature and the material representing the mold in the glass forming process have been studied. In this aim, an instrumented experimental test bench (DRIFT) was designed to reproduce the industrial conditions at the time of the glass/mould contact. It allows to put in contact a glass with a given material by controlling the pressure and the contact time. Its originality lies in obtaining a thermal response, with the evolution of the heating of the tool during the contact, associated with a mechanical response with the measurement of the separation force of the glass from the tool. Two experimental campaigns were conducted for glass temperatures ranging from 1100 to 1200°C and 700 to 800°C corresponding respectively to the blanking and finishing stages. The first one allowed to study the influence of the contact pressure, the lubrication, the roughness, the initial temperature of the tool and a coating on the thermomechanical behavior of the spheroidal graphite cast iron (GS) mold, usually used in the glassmaking industry. The second campaign studied the influence of the nature of the mold on its heating and its level of adhesion with the glass. Three grades were selected: AISI 431 steel, AISI H11 steel and bronze B 204 after an in-depth study of the thermomechanical properties and associated uses.This work has highlighted the importance of the actual contact surface and the role of a lubricant or coating on the heat exchange. Secondly, the role of thermal properties with respect to the sticking of the glass to the tool and the shrinkage force have enabled the four grades studied to be classified. The use of numerical modeling by finite elements has confirmed this classification while providing elements of understanding to the observed phenomena. It was underlined, among other things, the importance of distinguishing the role of thermal effusivity from that of thermal conductivity. To conclude, a variable structure material seems to be the ideal candidate to satisfy both the maintenance of a high glass-mold contact temperature while easily evacuating the temperature at the mold level to avoid sticking phenomena. However, given the complexity of variable thickness molds, this solution seems difficult to achieve.
Produire des pièces sans défaut de surface est l’enjeu majeur pour les entreprises verrières de luxe. Lors du procédé́ de mise en forme soufflé-soufflé, la paraison de verre, avec une viscosité faible, vient en contact étroit sur les surfaces des moules. La qualité́ du produit final va donc dépendre de la nature du moule, des états de surface du moule et de la température d’interface verre/moule. Ainsi, la maîtrise de l’échange thermique à l’interface de contact verre/moule et à l’intérieur du moule est la clé de la réussite de ce type de procédé. Pour cela, l’échange thermique et l’adhérence entre le verre à haute température et le matériau représentant le moule dans le processus de formage de verre, ont été étudiés. Pour ce faire, un banc d’essai expérimental instrumenté (DRIFT) a été conçu afin de reproduire les conditions industrielles au moment du contact verre/moule. Il permet de mettre en contact un verre avec un matériau donné en pilotant la pression et le temps de contact. Son originalité réside dans l’obtention d’une réponse thermique, avec l’évolution de l’échauffement de l’outil pendant le contact, associée à une réponse mécanique avec la mesure de l’effort de retrait du verre de l’outil. Deux campagnes expérimentales ont été menées pour des températures de verre variant de 1100 à 1200°C et de 700 à 800°C correspondant respectivement à l’étape d’ébauche et de finition. La première a permis d’étudier l’influence de la pression de contact, de la lubrification, de la rugosité, de la température initiale de l’outil et d’un revêtement sur le comportement thermomécanique du moule en fonte à graphite sphéroïdale (GS), habituellement utilisé dans le milieu de la verrerie. La deuxième campagne a permis d’étudier l’influence de la nature du moule sur son échauffement et son niveau d’adhérence avec le verre. Trois nuances ont été sélectionnées : l’acier AISI 431, l’acier AISI H11 et le bronze après une étude approfondie des propriétés thermomécaniques et des utilisations associées.Ces travaux ont pu mettre en avant tout d’abord l’importance de la surface réelle de contact et le rôle sur l’échange thermique que peuvent avoir un lubrifiant ou un revêtement. Dans un second temps, le rôle des propriétés thermiques vis-à-vis du collage du verre sur l’outil et de l’effort de retrait ont permis de classer les quatre nuances étudiées. Le recours à la modélisation numérique par éléments finis a permis de confirmer cette classification tout en apportant des éléments de compréhension aux phénomènes observés. Il a été souligné, entre autres, l’importance de distinguer le rôle de l’effusivité thermique de celui de la conductivité thermique. Pour conclure, un matériau à structure variable semble être le candidat idéal pouvant satisfaire à la fois au maintien d’une température de contact verre-moule élevée tout en évacuant aisément la température au niveau du moule pour éviter des phénomènes de collage. Cependant, vu la complexité des moules à épaisseurs variables, cette solution semble difficile à atteindre.