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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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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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4. Thermocinétique
La simulation des transferts thermiques, qui s’établissent au cours du moulage, est très importante, puisque ces transferts influencent grandement le déroulement du remplissage et de la cuisson de la résine. En effet, la thermique du procédé est couplée à plusieurs phénomènes physiques très différents. Ainsi, la température de la résine détermine la réactivité de la réaction de polymérisation. Elle agit également sur le remplissage, puisque la viscosité de la résine dépend de la température. La simulation thermique est donc délicate puisqu’elle influence ces phénomènes. Elle est également complexe puisque la température de la pièce dépend de plusieurs phénomènes comme le transfert thermique par conduction entre les fibres et la résine, le transport convectif et le transfert de masse dû au remplissage de la cavité par la résine. Enfin, de la chaleur est produite par l’exothermie de la réaction de polymérisation.
La prévision de l’histoire thermique de la pièce composite est importante car elle permet de calculer le niveau de contraintes résiduelles dans un composite. En effet, lorsque le moulage effectué en température est terminé, les couches de renfort qui sont étroitement liées les unes aux autres ne peuvent plus se déformer de façon indépendante. Or, d’une façon générale, en raison de l’anisotropie des composites, les couches peuvent présenter des coefficients de dilatation thermique différents si bien que, au cours du refroidissement en fin de fabrication, des contraintes résiduelles apparaissent. Le retrait chimique des polymères participe également à la génération de contraintes internes dans le composite.
Prenons l’exemple d’une lame composite fabriquée par compression de préimprégnés verre/époxyde dont les caractéristiques utiles au calcul de thermocinétique sont reportées au tableau 2. On suppose que la lame est de longueur infinie et présente une section de 100 × 15 mm2.
Tableau ci-dessous : Paramètres de la loi de cinétique [équation [8]]
La cinétique de polymérisation de la résine époxyde peut être décrite à l’aide de la relation (cf. paragraphe 3.2 dossier ) :
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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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