Composite Sheet Moulding Compound ou (SMC)ย
Dans le secteur automobile, les faibles coรปts de mise en ลuvre et de production ainsi que le gain en masse sont souvent des critรจres dรฉcisifs dans le choix des matรฉriaux utilisรฉs. Grรขce ร leurs bonnes caractรฉristiques mรฉcaniques, leur facilitรฉ dโรฉlaboration et leur densitรฉ relativement basse, les matรฉriaux SMC sont au cลur des dรฉveloppements de structures composites pour l’automobile.
Les constituants des SMC
Les composites SMC sont gรฉnรฉralement constituรฉs dโune rรฉsine polyester renforcรฉe de mรจches de fibre de verre coupรฉes. Les rรฉsines de polyesters insaturรฉs sont principalement utilisรฉes pour la fabrication de moulages dans le bรขtiment et surtout pour les piรจces de structure automobiles et aรฉronautiques [9]. Les composites ร base de ces rรฉsines sont assez hรฉtรฉrogรจnes et trรจs complexes. La rรฉsine en ellemรชme, selon Jacobs et Jones [10], prรฉsente une structure bien hรฉtรฉrogรจne dans laquelle des domaines hautement rรฉticulรฉs sont sรฉparรฉes par dโautres domaines ร faible degrรฉ de rรฉticulation. Ceci est dรป ร la copolymรฉrisation radicalaire. Yang et Lee [11] indiquent dโailleurs que ceci peut รชtre considรฉrรฉ comme un trait caractรฉristique du polyester insaturรฉ.
Les composites SMC sont fortement chargรฉs en particules de carbonate de calcium (Ca CO3). Ces charges minรฉrales participent aussi grandement ร lโaugmentation de la rigiditรฉ du composite et ร sa duretรฉ superficielle. Toutefois, Durand [12] prรฉcise que le diamรจtre de ces charges doit รชtre infรฉrieur ร 43 ยตm sous peine de dรฉgrader les propriรฉtรฉs mรฉcaniques. Par contre, on remarque une forte baisse de la rรฉsistance en traction en fonction du taux charge (surtout audelร de 50%) ainsi quโune augmentation de la densitรฉ du composite avec le pourcentage de charges. Selon Berthelot [13], lโutilisation de charges minรฉrales minimise lโallongement ร la rupture du composite.
Les semi-produits SMC
La dรฉnomination SMC provient de la dรฉsignation anglaise du procรฉdรฉ dโรฉlaboration (Sheet Moulding Compound) permettant dโobtenir les semi-produits sous forme de prรฉimprรฉgnรฉs destinรฉs au moulage ร chaud par compression des piรจces de structure. Ce procรฉdรฉ est dรฉcrit dans le paragraphe suivant. Il existe encore dโautres formes commerciales de prรฉimprรฉgnรฉs proches des SMC. On peut citer le DMC (Dough Moulding Compound), le BMC (Bulk Moulding Compound), le TMC (Thick Moulding Compound). Ces produits sont gรฉnรฉralement des prรฉimprรฉgnรฉs ร matrice thermodurcissable renforcรฉe de fibres de verre et chargรฉe de particules minรฉrale [14].
Procรฉdรฉ de fabrication des SMC
Dโune faรงon gรฉnรฉrale, trois รฉtapes principales constituent lโรฉlaboration dโune plaque ou dโune piรจce en SMC :
1) La phase dโรฉlaboration du prรฉimprรฉgnรฉ.
2) La phase de mรปrissement du prรฉimprรฉgnรฉ.
3) La phase de rรฉticulation et le moulage sous pression.
La fabrication du prรฉimprรฉgnรฉ
Sur un tapis roulant dโune longueur pouvant atteindre plus de dix mรจtres, est dรฉroulรฉ un film de protection (en polyรฉthylรจne). La rรฉsine chargรฉe (la pรขte mรจre) est appliquรฉe au-dessus de ce film plastique. Des mรจches de rowing contenant plusieurs centaines de fibres sont dรฉcoupรฉes par un sectionneur cylindrique ร une longueur dรฉsirรฉe (en gรฉnรฉral 25 mm) et viennent par la suite tomber sur la pรขte de faรงon ร obtenir un mat sec. Cette phase permet dโassurer une distribution alรฉatoire des fibres. A la fin de la chaรฎne, un deuxiรจme film protecteur en polyรฉthylรจne vient prendre les mรจches en sandwich en se superposant au-dessus. Pour assurer une bonne imprรฉgnation, le prรฉimprรฉgnรฉ passe au travers dโun dispositif de compactage. Enfin, le prรฉimprรฉgnรฉ ainsi constituรฉ est stockรฉ sous forme de rouleaux.
Le mรปrissement du prรฉimprรฉgnรฉ
A la fin de la premiรจre phase, le prรฉimprรฉgnรฉ est difficile ร manipuler รฉtant donnรฉe la trop grande fluiditรฉ de la rรฉsine. Il est alors stockรฉ ร une tempรฉrature qui ne dรฉpasse pas la tempรฉrature ambiante pendant une pรฉriode assez longue (quelques semaines en gรฉnรฉral), pour garantir la prรฉpolymรฉrisation de la matrice durant laquelle des liaisons de type Wan Der Waals sโรฉtablissent ce qui permet une certaine rigidification du semi-produit.
Rรฉticulation et moulage sous pression
La derniรจre รฉtape pour lโobtention dโune piรจce en SMC est le moulage ร chaud. Au contact des parois du moule chauffรฉ ร environ 150ยฐC, la viscositรฉ du prรฉimprรฉgnรฉ commence par diminuer rapidement, ce qui lui permet dโรฉpouser facilement la forme plus ou moins complexe du moule sous lโeffet dโune pression moyenne comprise entre 100 ร 120 bars. Puis trรจs rapidement, la viscositรฉ rรฉ-augmente sous lโeffet de la rรฉticulation du polymรจre. Cette opรฉration dure entre 2 et 3 minutes [15-16] ce qui permet dโatteindre des cadences de production de 700 ร 800 piรจces par jour.
Les diffรฉrentes familles de composites SMC
SMC Standardย
Il sโagit gรฉnรฉralement dโune matrice polyester fortement chargรฉe (50% en masse en gรฉnรฉrale) de particules de carbonate de calcium (CaCO3) renforcรฉe par des fibres de verre dโune longueur moyenne de 25 mm prรฉsentes sous forme de mรจches. Chacune contient environ 200 fibres. Le taux moyen de renforts est de lโordre de 30% en masse. Ce type de SMC a une masse volumique de lโordre de 1,88 g/cm3 [6-8].
SMC ร haute performance (A-SMC)
LโAdvanced SMC, (A-SMC), est caractรฉrisรฉ par un taux de fibres relativement รฉlevรฉ (> 50% de la masse totale) atteint grรขce ร lโutilisation dโune rรฉsine vinylester qui permet lโimprรฉgnation dโun tel taux de fibres. Ce matรฉriau permet dโavoir de hautes performances mรฉcaniques [17-18].
SMC ร basse densitรฉ (LD_SMC)ย
Ce type de SMC, (LD SMC) ou encore le Low Density SMC, est caractรฉrisรฉ par lโintroduction de billes de verre creuses afin de rรฉduire le poids sur les piรจces de structures [19]. Cette variรฉtรฉ de SMC permet de gagner plus de 30% en masse volumique par apport ร un SMC standard, 1,22g/cm3 et est utilisรฉ dans des applications qui ne nรฉcessitent pas de trรจs hautes performances mรฉcaniques.
Comportement mรฉcanique des composites
Le comportement dโun matรฉriau composite est gรฉnรฉralement anisotrope en fonction de la gรฉomรฉtrie et de la distribution de ses divers constituants. En outre, lโarchitecture, le taux et lโorientation des renforts conditionnent le dรฉveloppement du caractรจre รฉlasto-viscoplastique de la matrice et des phรฉnomรจnes dโendommagement.
Les diffรฉrentes รฉchelles dโanalyseย
Lโรฉtude du comportement mรฉcanique des matรฉriaux composites nรฉcessitent une analyse ร diffรฉrentes รฉchelles afin de prendre en compte les diffรฉrents modes de dรฉformation et dโendommagement qui sont susceptibles dโapparaรฎtre au sein de ces matรฉriaux. Ces diffรฉrentes รฉchelles sont :
โฆ Lโรฉchelle microscopique qui concerne les plus fines hรฉtรฉrogรฉnรฉitรฉs qui existent au sein du matรฉriau. Cโest lโรฉchelle du renfort ร laquelle les phรฉnomรจnes dโendommagement se produisent.
โฆ lโรฉchelle macroscopique : celle qui voit le matรฉriau comme รฉtant homogรจne. Cโest lโรฉchelle du V.E.R. ou Volume Elรฉmentaire Reprรฉsentatif qui doit รชtre suffisamment grand pour contenir statistiquement toutes les hรฉtรฉrogรฉnรฉitรฉs de la microstructure. Par consรฉquent, ร cette รฉchelle, on considรจre une microstructure unique. Le V.E.R. doit รชtre aussi suffisamment petit pour รชtre considรฉrรฉ comme รฉtant sollicitรฉ de faรงon homogรจne. Cโest aussi lโรฉchelle de la caractรฉrisation mรฉcanique. Ainsi, la zone utile dโun รฉchantillon utilisรฉ dans un essai de caractรฉrisation devra contenir au moins un V.E.R.
โฆ Lโรฉchelle de la structure quant ร elle se distingue de lโรฉchelle macroscopique par le fait quโelle est soumise ร des champs inhomogรจnes liรฉs dโune part aux conditions limites, au design de la piรจce et dโautre part ร la variation de la microstructure au sein de la piรจce.
โฆ Lโรฉchelle mรฉsoscopique qui se prรฉsente comme รฉtant lโintermรฉdiaire entre lโรฉchelle microscopique et macroscopique. Elle est classiquement rencontrรฉe dans les matรฉriaux composites stratifiรฉs au niveau dโun pli ou dโune couche considรฉrรฉe comme un matรฉriau homogรจne. Elle existe aussi dans les matรฉriaux SMC que lโon peut considรฉrer comme une pseudo-stratification constituรฉe de mรจches coupรฉes localement et superposรฉes dans lโรฉpaisseur du matรฉriau .
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1- Les matรฉriaux composites : gรฉnรฉralitรฉs
1-1 La matrice polymรจre
1-2 Renfort : les fibres de verre
1-3 Les charges, adjuvants et additifs
1-4 Composite Sheet Moulding Compound ou (SMC)
1-4-1 Les constituants des SMC
1-4-2 Les semi-produits SMC
1-4-3 Procรฉdรฉ de fabrication des SMC
1-4-4 Les diffรฉrentes familles de composites SMC
2- Comportement mรฉcanique des composites
2-1 Les diffรฉrentes รฉchelles dโanalyse
2-2 Endommagement des composites
2-2-1 Les mรฉcanismes dโendommagement et leurs รฉchelles
2-2-2 Endommagement des matรฉriaux SMC Standards
3- Modรฉlisation Multi รฉchelles
3-1 Modรฉlisation multi-รฉchelles โ Principe dโhomogรฉnรฉisation
3-1-1 Bornes de Voigt et Reuss
3-1-2 Approche dโEshelby
3-1-3 Problรจme de lโinclusion homogรจne dโEshelby.
3-1-4 Problรจme hรฉtรฉrogรจne
3-1-5 Mรฉthode des solutions diluรฉes
3-1-6 Modรจle auto-cohรฉrent
3-1-7 Bornes de Hashin โ Shtrikman
3-1-8 Modรจle de Mori Tanaka
3-1-9 Choix dโun modรจle micromรฉcanique
3-2 Modรฉlisation de lโendommagement
3-3 Modรฉlisation de lโendommagement en fatigue : hypothรจse et considรฉration gรฉnรฉrales
3-3-1 Diffรฉrents modรจles de fatigues existants
CHAPITRE II COMPORTEMENT MECANIQUE DES SMC
1- Matรฉriaux, variabilitรฉ de la microstructure et sรฉlection des รฉchantillons
1-1 Matรฉriau dโรฉtude
1-2 Caractรฉrisation de la microstructure
1-2-1 Caractรฉrisation par ultrasons
1-2-2 Microscopie Electronique ร Balayage
2- Caractรฉrisation mรฉcanique
2-1 Essai de traction
2-2 Baisse de raideur en charge-dรฉcharge
2-3 Comportement en fatigue
2-3-1 Procรฉdure expรฉrimentale
2-3-2 Baisse de raideur en fatigue
2-3-3 Courbes de Whรถler
2-4 Sรฉlection par analyses dโendommagements
CHAPITRE III MODรLISATION ET PRรDICTION DE LA DURรE DE VIE EN FATIGUE
1- Contexte du dimensionnement des composites ร renforts discontinus
2- Lien expรฉrimental entre lโendommagement sous chargement monotone et la durรฉe de vie en fatigue
3- Modรฉlisations hybrides
3-1 Principes des modรฉlisations hybrides proposรฉes
3-2 Modรฉlisation micromรฉcanique de lโendommagement sous chargement monotone
3-2-1 Cadre gรฉnรฉral
3-2-2 Les diffรฉrentes phases du modรจle de Jendli et al
3-2-3 Identification du modรจle micromรฉcanique
3-2-4 Rรฉsultats du modรจle micromรฉcanique sous chargement monotone
3-3 Approche hybride prรฉdictive de la durรฉe de vie en fatigue ร partir dโune microstructure de rรฉfรฉrence
3-3-1 Passage dโune microstructure de rรฉfรฉrence ร d’autres microstructures
3-3-2 Etude numรฉrique de la sensibilitรฉ ร la microstructure
3-4 Approche hybride prรฉdictive de la durรฉe de vie en fatigue ร partir de lโรฉquation dโรฉtat
3-4-1 Principes gรฉnรฉraux
3-4-2 Mรฉthodologie de lโapproche hybride fondรฉe sur lโรฉquation dโรฉtat
3-4-3 Mise en ลuvre de lโapproche hybride fondรฉe sur lโรฉquation dโรฉtat
3-4-4 Rรฉsultats de lโapproche hybride fondรฉe sur lโรฉquation dโรฉtat
3-5 Synthรจse et limitations des modรจles hybrides
CHAPITRE IV PROFIL DE CHARGEMENT VARIABLE
1- Chargement ร amplitude de contrainte variable
1-1 Fatigue ร amplitude variable alternรฉe
1-1-1 Mode opรฉratoire
1-1-2 Mรฉthode de calcul dโendommagement cumulatif
1-1-3 Aspects cinรฉtiques
1-1-4 Validation du modรจle prรฉdictif
1-1-5 Exploitation du modรจle
1-2 Chargement variable ร deux sรฉquences
2- Chargement ร tempรฉrature variable
2-1 Configuration de test
2-2 Rรฉsultats et prรฉdiction
2-3 Analyse des rรฉsultats
CONCLUSION GENERALE
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