Rôle de la compaction dans la fissuration des produits céramiques crus lors du séchage

RÔle de la compaction dans la fissuration des produits céramiques CRUS lors du séchage
Peczalski¹ Roman, Falgon¹ David, Andrieu¹ Julien,

Vidal-Sallé² Emmanuelle, Boyer² Jean-Claude
1. Laboratoire d’Automatique et de Génie des Procédés (LAGEP), UCB Lyon 1/ESCPE Lyon, Bât. 308 G, 43 Bd. 11 Nov. 1918, 69622 Villeurbanne, France

E-mail: [e-mail]

2. Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides (LaMCoS), INSA de Lyon, Bât. A. de Saint Exupéry, 27 Av. Jean Capelle, 69621 Villeurbanne, France

Résumé

Le procédé de fabrication des objets à partir d’aggloméré de grains minéraux à liant vitrifiable comprend essentiellement quatre phases : préparation de l’aggloméré, pressage (compaction), séchage et cuisson. Bien que ce procédé soit exploité depuis plusieurs décennies, un certain nombre des pièces présentent des fissures qui sont attribuées à l’étape de séchage. En effet, le départ de l’eau provoque le retrait du produit. Ce retrait est proportionnel à la quantité d’eau éliminée et donc en cours de séchage il est différent selon la profondeur de l’objet. Ceci induit des contraintes (efforts) mécaniques au sein de l’objet et si celles-ci dépassent le seuil de rupture des fissures apparaissent. Cependant, le niveau des contraintes durant le séchage peut être grandement influencé par l’état mécanique de la pièce en fin de l’étape de fabrication précédente qui est celle du pressage. Lors du pressage, le matériau est plastifié de manière non - uniforme ce qui conduit à des gradients de densité et des contraintes résiduelles.

L’objectif de cette étude est de démontrer quantitativement, par simulation numérique, que le pressage contribue significativement à la génération et l’amplification des contraintes dans une pièce en aggloméré durant le séchage et qu’il est donc nécessaire d’agir sur les deux étapes : pressage et séchage pour éviter les fissures. A cet effet, un modèle de pressage (purement mécanique) et un modèle de séchage (couplant la mécanique du solide et le transfert d’eau) ont été choisis dans la littérature et implémentés à l’aide du solveur par éléments finis Abaqus. La plupart des nombreuses propriétés du matériau nécessaires aux calculs ont été déterminés expérimentalement en fonction de la température, de la teneur en eau et de la masse volumique. La pièce considérée avait une géométrie annulaire.

Les simulations suivantes ont été réalisées :

• 
  séchage d’une pièce homogène (en masse volumique) et non précontrainte,
  
• 
  séchage d’une pièce hétérogène (un champ expérimental de masse volumique a été introduit) mais non précontrainte,
  
• 
  pressage et séchage d’une pièce (le pressage donnant lieu à une pièce hétérogène et précontrainte).
  

La dernière simulation a conduit au niveau des contraintes le plus élevé avec un très fort gradient localisé sur l’arête supérieure extérieure de la pièce où la masse volumique était la plus forte. A cet endroit et en tout début du séchage, la contrainte normale maximale en traction était très proche de la limite de rupture.