Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les polymères renforcés de fibres discontinues ont de meilleures propriétés mécaniques que les résines de base. Mais il est beaucoup plus difficiles d'orienter les fibres dans ces matériaux. Cet article explique les mécanismes d'orientation, l'observation de cette orientation et les modèles. Enfin deux cas de modélisation de l'orientation et de l'écoulement du fluide sont présentés en injection et en extrusion.
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Michel VINCENT : Ingénieur civil des Mines - Directeur de recherches au CNRS - Responsable de recherches au Centre de mise en forme des matériaux de l’École des mines de Paris
INTRODUCTION
Les polymères renforcés de fibres discontinues ont des propriétés mécaniques sensiblement améliorées par rapport à la résine de base, puisque le module d’élasticité est multiplié par un facteur 3 à 5 par rapport au même polymère sans fibres. De plus, ils peuvent être mis en forme avec des moyens conventionnels comme l’injection ou l’extrusion.
Cependant, à la différence des composites structuraux, on ne peut disposer les fibres de façon optimale. En effet, pendant la mise en forme, les fibres sont transportées par le fluide, et subissent des contraintes qui les orientent dans certaines directions. Ceci induit le niveau et l’anisotropie de propriétés mécaniques, mais aussi le voilage des pièces ou le niveau de contraintes résiduelles par le biais d’un retrait anisotrope lui aussi.
On s’intéresse dans cet article aux mécanismes d’orientation, et non à leurs conséquences sur les propriétés.
Les matériaux concernés sont principalement les thermoplastiques renforcés de fibres courtes (longueur moyenne de 200 à 500 µm, diamètre de 10 à 15 µm), mais les mécanismes principaux s’appliquent aussi aux thermoplastiques renforcés de fibres longues (granulés à fibres longues, GFL), ou aux thermodurcissables renforcés de type BMC (Bulk Molding Compound), dont les fibres ont une longueur de un à deux centimètres.
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Conclusion4. Modélisation de l’orientation et de l’écoulement en injection et extrusion
4.1 Modélisation découplée
Nous allons considérer l’exemple de l’injection. Seule la phase de remplissage est prise en compte pour le calcul de l’orientation.
La plupart des simulations relatives à l’injection sont basées sur les approximations de l’écoulement en couche mince, ou approximations de Hele-Shaw (voir article ). Dans ces conditions, Tucker a montré que le champ de vitesse n’est pas modifié de façon significative par les fibres. On peut donc d’une part modéliser le remplissage du moule selon les méthodes habituelles, en tenant compte seulement d’une augmentation globale de la viscosité liée à la présence des fibres, que l’on peut mesurer en rhéologie capillaire par exemple. On obtient donc les composantes des tenseurs vitesse de déformation et rotation au cours du déplacement d’un groupe de fibres dans le moule. Connaissant également la longueur moyenne des fibres, on a toutes les données pour l’équation de Jeffery [équation [2]]. Si on veut tenir compte des interactions entre fibres, on utilise l’équation [3]. La question est de prendre une valeur réaliste du coefficient d’interaction C I , et de bien choisir l’approximation de fermeture (voir paragraphe ...
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Modélisation de l’orientation et de l’écoulement en injection et extrusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VINCENT (M.) - Étude de l’orientation des fibres de verre courtes lors de la mise en œuvre de thermoplastiques chargés. - Thèse de doctorat, École des mines de Paris (1984).
-
(2) - DARLINGTON (M.W.), McGINLEY (P.L.) - Fibre orientation distribution in short fibre reinforced plastics. - J. Mat. Sci. 10, p. 906 (1975).
-
(3) - EBERHARDT (C.), CLARKE (A.R.) - Fibre orientation measurements in short glass fibre composites. I : Automated, high angular resolution measurement by confocal microscopy. - Comp. Sci Tech. 61, p. 1389-1400 (2001).
-
(4) - EBERHARDT (C.), CLARKE (A.R.), VINCENT (M.), GIROUD (T.), FLOURET (S.) - Fibre orientation measurements in short glass fibre composites. II : A quantitative error estimate of the 2D Image Analysis Technique. - Comp. Sci Tech. 61, p. 1961-1974 (2001).
-
(5) - BAY (R.S.), TUCKER (C.L.) - Stereological measurements and error estimates for three-dimensional fiber orientation. - Polym. Eng. Sci. 32, p. 240-253 (1992).
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