Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
De nos jours, les technologies de fabrication et des matériaux constitutifs des composites sont multiples. Au moment du choix, le concepteur doit allier un grand nombre de critères, qualité des pièces obtenues, cadence de production, rentabilité économique, auxquels il faut ajouter la complexité des phénomènes physiques et chimiques mis en jeu dans le cadre du moulage des composites avancés. Dans ce contexte, les outils de calcul sont devenus des instruments nécessaires dans la chaîne de conception-fabrication de ces composites. Cet article présente des relations physiques simples ayant un intérêt pratique pour l’estimation de grandeurs telles que des pressions de résine et des temps d’injection. Plusieurs exemples d’utilisation de la physique du moulage des composites avancés ont été choisis pour illustrer ces approches.
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Auteur(s)
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Christophe BINÉTRUY : Professeur au département Technologie des polymères et composites et Ingénierie Mécanique de l’École des Mines de Douai - Responsable du groupe Composites
INTRODUCTION
La multiplicité des technologies de fabrication et des matériaux constitutifs des composites offre de nombreuses possibilités aux concepteurs, mais parallèlement elle peut compliquer le travail de sélection et de mise au point des procédés de fabrication.
Le choix d’une technologie est un enjeu technico-économique qui doit s’effectuer en fonction du type et du nombre de pièces à réaliser, de la cadence de production, des investissements à prévoir... Il existe en fait beaucoup de critères à prendre en compte qui rendent la sélection du procédé adapté assez délicate. Par ailleurs, les phénomènes physiques et chimiques mis en jeu dans le cadre du moulage des composites avancés sont complexes et, de surcroît, couplés ce qui ajoute un degré supplémentaire de complexité (cf. dossier ).
Ainsi, définir la technologie qui permettra de satisfaire au mieux l’ensemble de ces exigences n’est pas toujours facile. Par ailleurs, une fois le choix effectué, il convient d’optimiser les paramètres de fabrication. Des essais répétés sur des prototypes permettent de préciser la valeur de ces paramètres et de déterminer la meilleure stratégie. Cette solution, longue à mettre en place et à conduire jusqu’à son terme, présente aussi l’inconvénient d’être coûteuse, car une modification d’un des éléments du cahier des charges peut remettre en question les choix initiaux.
Face à la complexité croissante des applications et à la réduction des temps de développement, l’empirisme doit céder la place à des méthodes plus rationnelles, plus rapides et plus sûres. Dans ce contexte technico-économique, les outils de calcul décrivant la fabrication des composites en relation avec la conception des pièces deviennent des instruments nécessaires dans la chaîne de conception-fabrication et participent au développement et au déploiement des technologies dans le monde industriel.
L’objet de ce dossier est de présenter des relations simples découlant des grands principes physiques décrits dans le dossier et qui ont un intérêt pratique pour l’estimation de grandeurs telles que des pressions de résine et des temps d’injection. Afin d’illustrer le potentiel de cette modélisation, plusieurs exemples d’utilisation de la physique du moulage des composites avancés sont décrits dans le cas de pièces industrielles complexes.
La dénomination « composite avancé » fait référence aux matériaux élaborés à partir de résine thermodurcissable (polyester, vinylester, époxyde,...) et de fibres continues (verre, carbone, aramide,...) qui constituent le squelette de la structure.
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- Version courante de déc. 2021 par Christophe BINETRUY
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Thermocinétique3. Écoulement de résine liquide dans un milieu fibreux déformable
3.1 Moulage de sandwichs avec déformation de l’âme sous pression
Une pièce sandwich est composée de deux fines peaux composites rigides séparées par un matériau central généralement épais et de faible densité (mousse, nid-d’abeille) qui assure à la structure une grande rigidité en flexion. La voie traditionnelle de fabrication consiste à élaborer, dans un premier temps, les peaux composites puis à les coller de part et d’autre de l’âme. Cependant, il est possible de simplifier ce procédé en utilisant le procédé d’injection sandwich basé sur le procédé RTM standard. Les renforts fibreux sont positionnés de part et d’autre de l’âme centrale, l’ensemble est placé dans la cavité du moule. Les peaux sont alors injectées comme dans le cas d’un composite monolithique. Si l’injection est conduite à débit imposé, la pression de résine augmente en réponse à la progression de cette dernière au sein des renforts fibreux. Dans le cas où le matériau d’âme est une mousse polymérique à cellules fermées (au moins en surface) et en fonction de sa densité, la pression de la résine peut être à même de la déformer au cours du remplissage ce qui affecte le profil d’écoulement . Les mécanismes physiques mis en jeu sont illustrés en figure 22. L’écrasement local de la mousse au voisinage du seuil d’injection entraîne une augmentation de l’épaisseur des peaux et s’accompagne d’une réduction du taux de fibres, d’une augmentation de la perméabilité et donc d’une réduction des besoins en pression. La pression se réduisant, si la mousse se trouve dans un domaine de comportement élastique, elle aura tendance à revenir à son état initial. Mais comme le front continue de progresser, la pression de résine aura tendance à augmenter en continuant de déformer la mousse jusqu’à parfois créer des zones riches en résine exemptes de fibres (figure 22). Au final, les profils de pression et de remplissage de la pièce seront donc modifiés au cours de l’injection.
Un algorithme est nécessaire pour comparer à chaque pas de calcul et en chaque point la pression de la résine avec la contrainte initiale de compression de la mousse (résultant de la fermeture du moule). Si la pression fluide est...
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Écoulement de résine liquide dans un milieu fibreux déformable
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BINÉTRUY (C.), LACRAMPE (M.F.), KRAWCZAK (P.), PICCIRELLI (N.) - Flow simulation of an automotive resin transfer molded complex shape parts made with performed heavy tow carbon fabrics : Comparison with experimental results. - EUROPAM 2002, Antibes, Juan-les-Pins, p. 265-283, 21-22 oct. 2002.
-
(2) - BINÉTRUY (C.), ADVANI (S.G.) - Foam core deformation during liquid molding of sandwich structures : modeling and experimental analysis. - Journal of Sandwich Structures & Materials, vol. 5, no 4, p. 351-376, oct. 2003.
-
(3) - COMAS-CARDONA (S.), GROENENBOOM (P.), BINÉTRUY (C.), KRAWCZAK (P.) - A generic mixed FE-SPH method to address hydro-mechanical coupling in liquid composite moulding processes. - Composites, Part A, 36, p. 1004-1010 (2005).
-
(4) - LEE (S.Y.), SPRINGER (G.S.) - * - Journal of Composite Materials, vol. 24 (1990).
-
(5) - PHAM (X.T.), TROCHU (F.) - * - Polymer Composites, vol. 20, no 3 (1999).
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ANNEXES
1 À lire également dans nos bases
BERBAIN (F.) - CHEVALIER (A.) - Mise en œuvre des composites – Méthodes et matériels. - [A 3 720] Traité Plastiques et Composites (1997).
BINÉTRUY (C.) - Physique du moulage des composites avancés : aspects théoriques. - [AM 3 718] Traité Plastiques et Composites (2004).
BINSE (P.) - Fabrication de profilés en composites par pultrusion. - [A 3 730] Traité Plastiques et Composites (1995).
BOISSE (P.) - Mise en forme des renforts fibreux de composites. - [AM 3 734] Traité Plastiques et Composites (2004).
CHOUDIN (C.) - Mise en œuvre des composites – Coûts d'investissement. - [AM 3 721] Traité Plastiques et Composites (2003).
GUILLON (D.) - Fibres de verre de renforcement. - [A 2 110] Traité Matériaux fonctionnels (1995).
VINCENT (M.) - Orientation des fibres courtes dans les pièces en thermoplastique renforcé. - [AM 3 729] Traité Plastiques et Composites (2003).
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