Modélisations du procédé de placement de fibres composites à matrice thermoplastique PDF Download
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Le procédé de placement de fibres thermoplastiques permet de fabriquer des pièces composites de grandes dimensions ayant toutes sortes de géométries (double courbure par exemple). Ce procédé est basé sur le soudage continu par fusion d’un pli composite à matrice thermoplastique sur un substrat. Il reçoit un intérêt croissant au cours des dernières années en raison de sa capacité à réaliser des pièces hors autoclave. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet aéronautique qui vise à comprendre et développer ce procédé de dépose automatisé en étudiant l’histoire thermo-mécanique de la matière au cours de la dépose, le champ de contraintes résiduelles dans la pièce après fabrication et la capabilité du procédé pour un soudage in-situ. Cette étude permet d’autre part de contribuer au développement de la tête de dépose. Afin de contrôler et d'optimiser la qualité de la pièce fabriquée, la prédiction de l’histoire thermo-mécanique appliquée durant la fabrication du stratifié est nécessaire. Dans ce travail, une modélisation thermique originale de ce procédé est proposée. L’adhésion interplis évoluant au cours de la mise en forme et ayant une influence significative sur les transferts thermiques, ce paramètre est intégré dans le modèle au moyen de résistances thermiques de contact évolutives. Les résultats numériques sont validés par des mesures expérimentales. En raison de la géométrie particulière du problème (fines bandes de pré-imprégnés de grande longueur), une méthode de résolution numérique PGD ou (Proper Generalized Decomposition) est utilisée. Cette méthode permet de contourner les problèmes liés au grand ratio existant entre la longueur de matière et son épaisseur. Elle permet par ailleurs de prendre en compte de nombreux paramètres (matériaux, ou procédés) comme extra coordonnées du modèle. Finalement, différentes fenêtres procédé, adaptées au niveau de spécifications requis sur la pièce, sont définies. Les questions de maximisation de la cristallinité et minimisation des contraintes résiduelles sont abordées afin de pouvoir s’approcher du procédé in-situ recherché
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Le procédé de placement de fibres thermoplastiques permet de fabriquer des pièces composites de grandes dimensions ayant toutes sortes de géométries (double courbure par exemple). Ce procédé est basé sur le soudage continu par fusion d’un pli composite à matrice thermoplastique sur un substrat. Il reçoit un intérêt croissant au cours des dernières années en raison de sa capacité à réaliser des pièces hors autoclave. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet aéronautique qui vise à comprendre et développer ce procédé de dépose automatisé en étudiant l’histoire thermo-mécanique de la matière au cours de la dépose, le champ de contraintes résiduelles dans la pièce après fabrication et la capabilité du procédé pour un soudage in-situ. Cette étude permet d’autre part de contribuer au développement de la tête de dépose. Afin de contrôler et d'optimiser la qualité de la pièce fabriquée, la prédiction de l’histoire thermo-mécanique appliquée durant la fabrication du stratifié est nécessaire. Dans ce travail, une modélisation thermique originale de ce procédé est proposée. L’adhésion interplis évoluant au cours de la mise en forme et ayant une influence significative sur les transferts thermiques, ce paramètre est intégré dans le modèle au moyen de résistances thermiques de contact évolutives. Les résultats numériques sont validés par des mesures expérimentales. En raison de la géométrie particulière du problème (fines bandes de pré-imprégnés de grande longueur), une méthode de résolution numérique PGD ou (Proper Generalized Decomposition) est utilisée. Cette méthode permet de contourner les problèmes liés au grand ratio existant entre la longueur de matière et son épaisseur. Elle permet par ailleurs de prendre en compte de nombreux paramètres (matériaux, ou procédés) comme extra coordonnées du modèle. Finalement, différentes fenêtres procédé, adaptées au niveau de spécifications requis sur la pièce, sont définies. Les questions de maximisation de la cristallinité et minimisation des contraintes résiduelles sont abordées afin de pouvoir s’approcher du procédé in-situ recherché
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L'intérêt croissant de l'industrie aéronautique pour les matériaux composites favorise le développement de procédés de mise en œuvre rapides et automatisés. Technologie approuvée pour la réalisation de stratifiés à matrice thermodurcissable, les cellules de placement de fibres de la société Coriolis Composites permettent la fabrication de pièces stratifiées aux formes et dimensions variées. Ne nécessitant pas de polymérisation longue et onéreuse en autoclave tout en répondant aux nouvelles règlementations environnementales et aux besoins thermomécaniques spécifiques, les composites thermoplastiques sont une issue aux nouveaux enjeux du monde du transport. Le procédé s'appuie sur la technologie des lasers à diodes générant les densités de puissance nécessaires à la fusion des matrices thermoplastiques. Les travaux présentés s'inscrivent à la croisée de ces trois technologies en fort devenir : procédé de placement de fibres, matrice thermoplastique et laser à diodes. Ils sont menés dans le cadre du projet IMPALA (Innovation Matériaux et Procédés avec plAcement de fibres LAser) labellisé FUI 11, et, ont pour objectif de modéliser le procédé par l'expérimentation et la simulation. Le matériau composite étudié dans le cadre de cette thèse est l'APC-2/AS4 de la société Cytec Engineering Materials, pré-imprégné constitué de fibres de carbone et d'une matrice thermoplastique PEEK. Trois modèles numériques sont développés : (i) une modélisation optique fondée sur un algorithme de lancer de rayons permettant de déterminer la distribution du rayonnement laser sur la matière, (ii) une modélisation thermique renvoyant les champs de température au sein du stratifié en cours de drapage et (iii) une modélisation rhéologique afin d'étudier la déformation de la matière et la qualité du soudage des différents plis. Le développement de ces modèles s'appuie sur une caractérisation du procédé notamment du faisceau laser permettant la chauffe synchrone des fibres acheminées et des plis précédemment déposés et du module de compactage constitué d'un rouleau souple épousant la surface de drapage. Des données matériaux telles que les indices de réfractions, l'émissivité ou la viscosité sont également déterminées par voie expérimentale ou homogénéisation. En parallèle, des campagnes de mesures par thermocouples et radiométrie sont réalisées pour mieux comprendre les phénomènes thermiques dans la zone de chauffe et au sein du stratifié. Les confrontations entre ces mesures et les prédictions numériques renvoyant de bonnes corrélations, le modèle optico- thermique peut alors être exploité afin d'établir l'influence de différents paramètres sur le procédé et de proposer de solutions d'asservissement entre la puissance du laser et la vitesse de drapage. Enfin, une étude par spectroscopie infrarouge permet d'étendre une cinétique de dégradation du matériau au cas transitoire adapté au procédé de placement de fibres.
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Les matériaux composites sont largement employés dans le domaine aérospatial grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance aux chocs et à la fatigue, tout en restant plus légers que les matériaux conventionnels. Au cours des dernières années, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour les procédés de fabrication et de transformation de matériaux composites à matrice thermoplastiques. Cela favorisé par le développement et l'optimisation des procèdes de mise en forme tels que le thermostampage, en vue de la réduction de temps de cycle. La modélisation et la simulation de ce procédé sont des étapes importantes pour la prédiction des propriétés mécaniques et de la faisabilité technique des pièces à géométrie complexe. Elles permettent d'optimiser les paramètres de fabrication et du procédé lui-même. À cette fin, ce travail propose une approche pour la simulation de la mise en forme des matériaux composites préimprégnés thermoplastiques. Un modèle viscohyperélastique avec une dépendance à la température a été proposé dans l'objectif de décrire le comportement du composite thermoplastique à l'état fondu. Et permets de faire des simulations de mise en forme à différentes températures. Au cours cette simulation, des calculs thermiques et mécaniques sont effectués de manière séquentielle afin d'actualiser les propriétés mécaniques avec l'évolution du champ température. L'identification des propriétés thermiques sont obtenues par homogénéisation à partir des analyses au niveau mésoscopique du matériau. La comparaison de la simulation avec le thermoformage expérimental d'une pièce représentative de l'industrie automobile analyse la pertinence de l'approche proposée.
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Les matériaux composites constituent de nos jours, de par leurs propriétés très prisées, des matériaux incontournables dans plusieurs secteurs industriels telles les industries aéronautique, automobile et navale. Bien que les applications industrielles aient été axées durant des décennies sur les matériaux composites à matrices thermodurcissables, les composites thermoplastiques à renforts continus connaissent actuellement un grand essor. Dans ce sens, des recherches considérables ont été menées sur la modélisation du comportement des matériaux thermoplastiques chargés de fibres continues à température ambiante. Cependant, la modélisation du comportement de ces matériaux à hautes températures et dans les conditions de mise en forme demeure une problématique d'actualité et relativement peu étudiée. Ce travail de thèse se veut une contribution à la modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme. Deux directions de recherches ont été explorées. La première direction consiste à développer une loi constitutive viscoélastique orthotrope pour les milieux incompressibles, et sous l'hypothèse d'un processus isotherme. Dans cette optique, on se propose d'exploiter la théorie du modèle K-BKZ, destiné à la rhéologie des fluides viscoélastiques isotropes, pour une extension aux cas orthotrope et transversalement isotrope. Les tenseurs d'orientation des fibres sont introduits comme arguments de la fonctionnelle densité d'énergie libre pour tenir compte de la symétrie matérielle. La réponse du milieu est formulée en considérant les apports des constituants du milieu, pris séparément, augmentés de la réponse due aux interactions entre la résine et les fibres. Ce faisant, la densité d'énergie libre sera décomposée en un produit d'une fonction mémoire, responsable de la relaxation, et d'une fonction des déformations, laquelle a été scindée en la somme de quatre composantes : i) une fonction rendant compte du comportement de la matrice, ii) une composante responsable de la réponse de la première famille de fibres, iii) une composante responsable de la seconde famille de fibres et iv) une fonction rendant compte des interactions matrice-fibres. La seconde direction vise l'étude du phénomène de l'endommagement susceptible de toucher les composites thermoplastiques à renforts continus dans des conditions proches de celles de la mise en forme. Dans cette perspective, une loi constitutive hyperélastique orthotrope avec endommagement sera proposée. On fait appel à une approche thermodynamique classique, basée sur l'existence d'un potentiel d'énergie libre duquel découle le tenseur de contraintes, et au principe de la contrainte effective, bien connu de la théorie de l'endommagement. À l'instar du modèle viscoélastique orthotrope, la fonctionnelle densité d'énergie libre sera décomposée en la somme de quatre composantes responsables des réponses de la résine, des deux familles de fibres et des interactions matrice-fibres. Pour introduire le phénomène de l'endommagement, on associe à chaque constituant du milieu (i.e. les fibres et la résine) une variable d'endommagement isotrope. Chacune de ces variables est associée à la composante de l'énergie libre rendant compte du comportement du constituant qu'elle caractérise. Une loi d'évolution de l'endommagement isotrope est également associée à la composante de l'énergie libre responsable des interactions matrice-fibres. Les hypothèses d'un milieu incompressible et d'un processus isotherme ont été notamment retenues. Une campagne d'essais expérimentaux, axée sur des essais de traction dans les directions 0°/90° et ±45°, a été réalisée pour caractériser l'endommagement d'une classe de composite thermoplastique à renforts continus. Les résultats de ces essais ainsi que ceux rencontrés dans la littérature ont été exploités afin de réaliser une procédure d'identification inverse visant à tester l'aptitude des modèles de comportement proposés à reproduire des résultats expérimentaux. Des simulations par éléments finis de la mise en forme d'un composite thermoplastique à renforts continus ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que les modèles utilisés reproduisent des résultats physiquement admissibles et en concordance avec des observations expérimentales.
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Nos travaux se sont intéressés au soudage de matériaux composites à matrice thermoplastique avec une application au procédé de consolidation en continu " Drapcocot " développé dans l'industrie aéronautique. L'objectif est de comprendre les mécanismes physico-chimiques qui interviennent lors de la consolidation du matériau APC-2 (fibres de carbone/PEEK) afin de pouvoir modéliser puis optimiser le procédé. L'originalité de l'étude a été de développer une modélisation thermique du procédé à l'échelle de la pièce composite et de mener simultanément une étude approfondie des phénomènes à l'échelle macromoléculaire. La modélisation thermique du procédé en 2D permet de simuler la consolidation d'un pli quels que soient les paramètres du procédé. Le modèle prend en compte les échanges de chaleur par conduction et par convection ainsi que les phénomènes de fusion et de cristallisation du matériau pour lesquels les cinétiques ont été identifiées par des essais d'analyse enthalpique différentielle. En ce qui concerne la dynamique des chaînes macromoléculaires, le temps de reptation, relatif à la diffusion du PEEK au niveau de l'interface, a été approché grâce à des essais rhéologiques. Quand à la dégradation thermique du PEEK, nous avons montré que le mécanisme de dégradation prépondérant est la réticulation du polymère. En couplant ces différentes approches, nous sommes désormais capables de prédire l'efficacité de la consolidation en fonction des paramètres du procédé. Dans le diagramme Vitesse de dépose-Température des torches du procédé, les limites imposées par les différents phénomènes physiques antagonistes sont données par des courbes "iso-diffusion" et "iso-dégradation". Ces simulations ont été confrontées aux expériences en terme de tenue mécanique de l'interface soudée. Cette cartographie Temps-Température du soudage en continu nous a permis d'expliquer dans quelle voie l'amélioration du procédé doit se faire pour que la consolidation soit optimale.
Author: Nicolas Bur Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La réalisation par des procédés robotisés de pièces composites à destination, notamment, de l'aéronautique vise à en augmenter la productivité. Cependant le Placement de Fibres Robotisé (PFR) est encore en phase de maturation et requiert de nombreux développements, en particulier dans le cas des composites à matrice thermoplastique ou à fibre sèche. Dans cette thèse, nous proposons différents outils qui permettent in fine de déterminer à l'avance la meilleure puissance de chauffe pour la mise en œuvre de ces composites. La difficulté réside dans le fait que cette puissance dépend de nombreux paramètres, non seulement au niveau de la matière utilisée (densité, chaleur spécifique. . .), mais encore au niveau du procédé lui-même (vitesse de déplacement, nombre et orientation des plis. . .). Nous avons construit un modèle réduit multi-paramétrique en utilisant la technique appelée Proper Generalised Decomposition (PGD). Les résultats ont été confrontés à ceux obtenus par des méthodes plus conventionnelles et aussi à des données expérimentales.
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Les technologies de placement de plis ou d'enroulement filamentaire de composite à matrice thermoplastique avec consolidation en continu ont fait l'objet de nombreux travaux ces dernières années. Ces études ont porté principalement sur des composites à base de matrice thermoplastique semi-cristalline comme le poly(éther éther cétone) (PEEK) renforcée de fibres de carbone. L'objectif de la thèse est de déterminer les lois de comportement du composite fibres de carbone/matrice thermoplastique lors de la mise en œuvre afin de déduire quelle étape gouverne le processus de soudage et quels sont les paramètres procédés et matériaux influençant sa durée. Dans ce but, les principales propriétés de la matrice utiles à l'étude ont, dans un premier temps, été déterminées. Une attention particulière a été portée sur la dégradation thermique. Les analyses en thermogravimétrie ont ainsi permis d'évaluer sa cinétique de dégradation. Dans un deuxième temps, les mécanismes de contact intime et d'autohésion, responsables du soudage, ont été étudiés à partir de modèles. Pour cela, les mesures de rugosité de surface et de viscosité ont été intégrées au modèle de contact intime. Le temps de diffusion de la matrice a été déterminé par rhéologie puis intégré au modèle d'autohésion. Enfin, l'influence des paramètres procédé (temps, température et pression) et matériau (masses molaires et rugosité) sur les mécanismes de formation de l'interface et ses performances mécaniques a été évaluée expérimentalement par des tests d'adhérence (clivage et pelage) et comparée aux modèles.
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LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE PRESENTENT DES PROPRIETES MECANIQUES ELEVEES ET PROMETTEUSES, EN PARTICULIER LES MATRICES BASE TITANE RENFORCEES PAR DES FIBRES LONGUES POUR LES INDUSTRIES AERONAUTIQUE ET SPATIALE. DIVERS PROCEDES D'ELABORATION DE TELS MATERIAUX ONT ETE DEVELOPPES ; LA VOIE FEUILLARD/FIBRE/FEUILLARD SEMBLE OFFRIR UN BON RAPPORT QUALITE/COUT. L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST L'OPTIMISATION DE CE PROCEDE AU TRAVERS, D'UNE PART, DE L'ETUDE DE L'ECOULEMENT DE LA MATRICE AUTOUR DES FIBRES, ET D'AUTRE PART, DE LA PREDICTION DE L'ETAT DE DENSIFICATION DU MATERIAU A L'AIDE DES SIMULATIONS PLASTICINE ET NUMERIQUE. LA PREMIERE PARTIE A AINSI CONSISTE A ETABLIR UNE METHODOLOGIE PERMETTANT D'ACCEDER A LA RHEOLOGIE DES FEUILLARDS DANS LES CONDITIONS D'ELABORATION DU MATERIAU COMPOSITE. CETTE METHODOLOGIE A ETE MISE AU POINT ET VALIDEE POUR LES ALLIAGES DE TITANE TA6V ET B21S. L'INFLUENCE DE L'HISTOIRE THERMOMECANIQUE PARTICULIERE DES FEUILLARDS, ET DONC DE LEUR MICROSTRUCTURE PROPRE, A ETE MISE EN EVIDENCE. AFIN DE MODELISER LE PROCEDE, DEUX VERSIONS DU CODE FORGE2 ONT ETE DEVELOPPEES POUR INTEGRER LES CONDITIONS GEOMETRIQUES ET MECANIQUES DE CE DERNIER. LA PREMIERE, VISCOPLASTIQUE, MET EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES FROTTEMENTS ET DE LA RHEOLOGIE SUR LES TEMPS DE COMPACTION DE MATERIAUX PARTICULIERS (FIBRES PARFAITEMENT ALIGNEES OU EN QUINCONCE). LA SECONDE VERSION, ELASTO-VISCOPLASTIQUE, S'APPUYANT SUR UNE DISTRIBUTION STATISTIQUE DES RENFORTS, PERMET LA SIMULATION DU PROCEDE INDUSTRIEL. ON A AINSI PU DEMONTRER L'IMPORTANCE DE LA PRISE EN COMPTE DES MOUVEMENTS DES FIBRES, AINSI QUE L'INDEPENDANCE DU TEMPS DE COMPACTION VIS-A-VIS DU NOMBRE DE PLIS DU MATERIAU COMPOSITE. LES RESULTATS DES SIMULATIONS SONT EN BON ACCORD AVEC DES ESSAIS INDUSTRIELS DE CONSOLIDATION
Author: Nicolas Bigot Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La simulation numérique des procédés de mise en forme a pour objectif de réduire les coûts liés à l'expérimentation en fournissant des informations sur la qualité attendue du produit final lorsque les conditions de mise en forme, le matériau ou la géométrie varient. Si la simulation numérique des procédés ne peut être une alternative complète à l'expérimentation, elle peut en revanche réduire les fenêtres d'investigation. Une modélisation des principaux phénomènes à l'oeuvre lors de la mise en forme par thermoformage des matériaux composites à matrice thermoplastique semicristalline est proposée. Elle repose sur le développement d'outils numériques favorisant la mise en place d'un couplage thermo-mécanique dans une gamme de température incluant la cristallisation de la matrice. Un modèle de cinétique de cristallisation en milieu fibreux est décrit, prenant en compte la transcristallisation. Les paramètres définissant le modèle de cristallisation sont identifiés grâce à des mesures expérimentales spécifiques. Deux éléments finis thermo-mécaniques en deux et trois dimensions sont également avancés. Tout deux abordent la résolution des problèmes de transfert de chaleur en utilisant la formulation ADI, Alternating Direction Implicit. Enfin, une loi de comportement hyper-visco-élastique est exposée et paramétrée par une campagne expérimentale dont les conclusions sont également fournies. Ce travail se termine par la simulation numérique du procédé de mise en forme par thermoformage utilisant une technique novatrice. En pré-déformant le matériau par l'action de parties mobiles indépendantes des parties principales du moule, une meilleure qualité finale est obtenue lorsque des géométries complexes sont impliquées. Une comparaison des résultats numériques et des résultats expérimentaux issus d'une campagne d'essais sur un moule de taille industrielle conclue cette thèse.
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L'ETUDE PORTE SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE DYNAMIQUE EN TORSION DU POLYAMIDE 12/FIBRES DE CARBONE (PA12FC) ET DU POLYETHERETHERCETONE/FIBRES DE CARBONE (APC2). LES PROPRIETES MECANIQUES DE CES DEUX MATRICES SONT INFLUENCEES PAR LA PRESENCE DES FIBRES, DANS LE CAS DU PA12FC, LES FIBRES LIMITENT LES POSSIBILITES D'EXPANSION DE LA RESINE PURE, QUI SE TROUVE ALORS SOUMISE A UNE PRESSION DE CONFINEMENT (CONTRAINTE MICROSCOPIQUE). POUR L'APC2, LES CONDITIONS DE MISE EN UVRE PROVOQUENT L'APPARITION D'UNE PLACE TRANSCRISTALLINE AU VOISINAGE DES FIBRES, QUI PEUT INDUIRE UN COMPORTEMENT MECANIQUE DIFFERENT. L'APPROCHE D'HOMOGENEISATION DES MILIEUX PERIODIQUES A ETE UTILISEE POUR CONFIRMER (OU INFIRMER) LES HYPOTHESES FAITES (CONTRAINTE MICROSCOPIQUE DANS LE PA12FC ET PHASE TRANSCRISTALLINE QUI AMELIORE LES PROPRIETES EN TORSION DANS LE PEEKFC) PAR AILLEURS IMPOSSIBLE A VERIFIER. CETTE APPROCHE A ETE APPLIQUEE A DES MATERIAUX D'ABORD SUPPOSES PUREMENT ELASTIQUES, ENSUITE CONSIDERES COMME MATERIAUX VISCOELASTIQUES DE KELVIN-VOIGT ET ENFIN, TRAITES COMME MATERIAUX VISCOELASTIQUES EN REGIME HARMONIQUE. IL A ETE CONFIRME QUE LA PRESENCE DE FIBRES EMPECHE L'EXPANSION THERMIQUE DE LA RESINE PURE PA12 PROVOQUANT UNE CONTRAINTE MICROSCOPIQUE A L'INTERIEUR DU COMPOSITE. DE MEME, LA MODELISATION DE LA PHASE TRANSCRISTALLINE DANS LE PEEKFC CONFIRME L'INFLUENCE DE CETTE PHASE SUR LE MODULE G' EN TORSION A TEMPERATURE INFERIEURES A LA TEMPERATURE DE TRANSITION VITREUSE (TG)
Author: Anaïs Barasinski
Author: Anaïs Barasinski
Author: Guillaume Dolo
Author: Eduardo Guzman Maldonado
Author: Hicham Chaouki
Author: Célia Nicodeau
Author: Nicolas Bur
Author: Hélène Lebrun
Author: CHRISTOPHE.. MAGNY
Author: Nicolas Bigot
Author: Mercedes Arribas