Soutenance mémoire
Composition et élaboration des SMC
La formulation de la pâte
La pâte est un composé à base de résine polyester insaturée thermodurcissable auquel sont ajoutés de nombreux additifs qui permettent d’optimiser tant les propriétés de moulage que les propriétés des pièces produites. La formulation chimique de ce composé est devenue très complexe au fil des ans. D’une part, elle permet d’une part de maîtriser la viscosité du matériau avant sa mise en forme, ce qui assure une grande facilité de manipulation des feuilles et autorise des efforts de presse sensiblement inférieurs à des procédés comme l’emboutissage ou la mise en forme de thermoplastiques (procédé GMT). D’autre part, elle permet aussi de bien contrôler la réaction chimique dite de réticulation, ce qui permet d’obtenir des cadences de production assez élevées et de conférer aux pièces moulées d’excellentes propriétés.
Les précurseurs
L’utilisation des composés à base de polyesters insaturés date de la fin des années 40. Les toutes premières versions, appelés prémix, étaient préparés à partir de résines polyester généralement diluées dans du styrène [Melby and Castro, 1986]. Une forte quantité de charges minérales, généralement du carbonate de calcium CaCO3 sous forme de poudre très fine, était ensuite ajoutée au mélange. Très souvent, l’addition de ces charges a pour rôle d’augmenter la viscosité des feuilles préimprégnées, ce qui d’une part rend sa manipulation plus facile, et d’autre part permet un meilleur entraînement des fibres lors de la mise en forme.
Les agents anti-retrait
Au début des années 60, l’introduction des agents anti-retrait dans la composition de la pâte marque un progrès décisif. Le retrait de polymérisation était jusqu’alors un phénomène gênant, pouvant entraîner une réduction de volume au cours de la réticulation de l’ordre de 7% [Bartkus and Kroekel, 1970], [Merle et al., 1992], et conduisant à des états de surface très rugueux. Cependant, il est apparu que ce retrait pouvait être fortement compensé par l’ajout de certains additifs thermoplastiques tels que le PVAc (Poly Vinyl Acetate) ou le PMMA (Poly Methyl MetAcrylate) dits agents antiretrait. Cette amélioration de la formulation permet désormais d’obtenir des pièces moulées avec des tolérances géométriques mieux contrôlées, un aspect de surface largement amélioré et de minimiser le développement des contraintes internes, ce qui réduit les problèmes de voilage des pièces au démoulage et au refroidissement. L’analyse des mécanismes de la compensation du retrait fait l’objet de nombreuses études depuis plusieurs années [Pattison et al., 1975], [Hsu et al., 1991], [Suspène et al., 1991], [Hsu et al., 1991], [Merle and Vincent, 1997], [Zhang and Zhu, 2000], mais les différentes explications proposées ne sont pas toujours en accord. Comme le montre l’étude bibliographique de Cara [Cara, 2001], la physique de ce phénomène reste encore assez mal comprise. Quoi qu’il en soit, deux types de formulation sont principalement utilisées dans l’industrie : les formulations de type Low Shrink (LS) qui assurent une compensation partielle du retrait, et les formulations de type Low Profile (LP) qui compensent intégralement le retrait et procurent ainsi une nette amélioration de l’état de surface du matériau.
Les agents mûrissants
La deuxième avancée majeure en matière de formulation chimique de la pâte SMC a été la découverte du rôle des agents mûrissant. Le mûrissement est obtenu par l’ajout d’oxydes ou d’hydroxydes alcalins dont le plus utilisé est l’oxyde de magnésium MgO. Ce phénomène, qui a lieu après la phase d’élaboration des feuilles de SMC, conduit à une augmentation lente mais considérable de la viscosité de la pâte. Un tel phénomène a plusieurs conséquences bénéfiques sur les propriétés du matériau :
• il permet l’utilisation de résines moins chargées en particules minérales, ce qui assure une meilleure imprégnation des fibres par la matrice et un meilleur entraînement des fibres lors de l’écoulement.
• la plus grande viscosité facilite la manipulation des feuilles avant le moulage.
Il est généralement admis que la réaction de mûrissement s’opère en deux étapes [Yu and Ma, 1993]. Il se forme tout d’abord un sel de haute masse molaire qui forme ensuite un complexe avec les liaisons ester présentes dans les chaînes de polyester. L’évolution de ce mûrissement peut-être directement suivi in-situ par la mesure régulière de la viscosité de la pâte SMC . Elle montre que la réaction de mûrissement progresse rapidement pendant deux à trois jours et finit par atteindre un plateau, qui peut durer plusieurs semaines, où elle évolue beaucoup plus lentement. Ainsi, cette stabilisation de la réaction permet le stockage du SMC pendant plusieurs jours au cours desquels ses propriétés sont relativement stables.
Le mûrissement peut être influencé par de nombreux paramètres comme par exemple la teneur en eau lors de la fabrication, la température de l’environnement et la teneur en agent mûrissant [Burns, 1982]. Ces paramètres peuvent non seulement modifier la viscosité finale du produit, mais ils sont également susceptibles d’affecter sa stabilité après mûrissement. Bien que le phénomène ait peu été étudié dans les conditions réelles de fabrication [Tung, 1991], un taux d’humidité de 0.05 à 0.15% est généralement préconisé. Une température élevée accélère la réaction mais peut dégrader les liaisons chimiques entre la résine et l’agent mûrissant si elle est trop élevée [Saito et al., 1996] : les SMC sont donc stockés dans des chambres climatisées à 26◦C pendant les deux à trois jours de maturation du matériau .
Procédé d’élaboration des feuilles de SMC
Les SMC sont fabriqués sous forme de feuilles préimprégnées par un procédé continu . Les fils de verre continus sont entraînés par deux rouleaux qui les découpent en fibres de longueur uniforme. Les fibres tombent ensuite d’une hauteur d’environ 1 m sur un film de pâte qui défile à vitesse constante. Le mât de fibres ainsi obtenu est ensuite aplati par un deuxième film de pâte et le mélange pâte+fibres passe dans un système de calandrage qui permet une bonne pénétration de la pâte dans le mât et assure aussi l’uniformité de l’épaisseur. Enfin, les feuilles produites, larges d’environ 1.5 m, sont stockées sous forme de rouleaux.
Lors de la fabrication de la pâte, les agents mûrissant sont incorporés au dernier moment. Ainsi, la viscosité du produit est suffisamment faible lors de l’élaboration pour permettre le bon déroulement du processus et l’imprégnation des fibres. La réaction de mûrissement va donc s’opérer après l’étape de fabrication des feuilles de SMC. Pour que celle-ci s’opère correctement, les rouleaux doivent dans un premier temps être stockés en chambre chaude (26◦C) pendant environ deux jours sous hygrométrie contrôlée. Ils peuvent ensuite être stockés pendant plusieurs jours en chambre “froide”, climatisée à 15◦C.
L’étape de mise en forme des SMC
Déroulement de l’opération de moulage
Le procédé de mise en forme des SMC se décompose en quatre phases principales : la phase de préparation des échantillons à mouler, la phase de remplissage aussi appelée phase de fluage, la phase de cuisson et enfin la phase de démoulage et refroidissement.
La première étape dite de préparation, effectuée manuellement par l’opérateur de moulage, consiste à découper dans les rouleaux de SMC plusieurs morceaux de forme déterminée appelés flans, puis à réaliser un empilement de ceux-ci. L’opérateur essaie ainsi d’obtenir la forme idéale qui lui a été spécifiée. Il positionne ensuite manuellement l’empilement réalisé dans le moule à un endroit défini lors de l’étape de mise au point (généralement empirique). Le moule est chauffé en permanence, généralement à 150˚C, température à laquelle la polymérisation du SMC sera optimale, une fois l’étape de remplissage achevée. Dans des conditions normales, l’opérateur actionne la presse “le plus vite possible”, il cherche à minimiser le temps de contact entre le moule et la matière afin d’éviter de trop fluidifier cette dernière et de prévenir une réticulation prématurée : le temps effectif entre l’instant de la dépose et le début du remplissage est de l’ordre de 20 secondes. Ainsi, cette étape définit les conditions initiales de la phase de remplissage en fixant plusieurs paramètres importants :
– la géométrie initiale de l’empilement de SMC,
– la position de la matière dans le moule,
– le temps de dépose de la matière sur le moule chaud avant remplissage.
Ces paramètres conditionnent la température initiale de la matière avant moulage, la rhéologie du SMC, et donc la nature de l’écoulement et les efforts à fournir par la presse. Il est primordial d’en avoir un contrôle rigoureux pour assurer une bonne qualité des pièces. Cependant, ces paramètres sont généralement sujets à des variations inhérentes à la nature manuelle de l’opération. Par exemple, à cause des erreurs de découpe et des variations d’épaisseur des feuilles dans le rouleau, l’opérateur est souvent amené à rajouter quelques petits morceaux de matière supplémentaires pour obtenir la masse de matière qui lui a été prescrite. La géométrie initiale de la matière est donc très variable, l’empilement des flans réel est souvent loin de l’empilement théorique. Il en va de même pour le positionnement et le temps de dépose de la matière dans le moule.
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Table des matières
Introduction
1 Etude bibliographique
1.1 Composition et élaboration des SMC
1.1.1 La formulation de la pâte
1.1.2 Procédé d’élaboration des feuilles de SMC
1.2 L’étape de mise en forme des SMC
1.2.1 Déroulement de l’opération de moulage
1.2.2 Problématique de la mise en forme
1.2.3 Etudes expérimentales du comportement rhéologique des SMC
1.2.4 L’écoulement lors de la mise en forme : de l’observation à la simulation numérique
1.2.5 Le calcul de l’orientation des fibres au cours de l’écoulement
1.3 Position de la recherche proposée
1.3.1 Simulation de la Compression des SMC – bref état de l’art
1.3.2 Lacunes des modèles actuels
1.3.3 Objectifs de cette contribution
2 Modélisation biphasique du comportement des SMC
2.1 Formalisme biphasique adopté
2.1.1 Notations
2.1.2 Hypothèses Générales
2.1.3 Equations de conservation générales
2.1.4 Hypothèses sur les lois de comportement
2.1.5 Equations de conservation du milieu biphasique SMC
2.2 Démarche de construction du modèle biphasique SMC
3 Analyse de la rhéologie des SMC
3.1 Matériau .
3.2 Dispositifs expérimentaux, conception et validation
3.2.1 Configuration Cisaillement – Rhéomètre Annulaire
3.2.2 Dispositifs de Compression Simple et de Compression Plane
3.2.3 Exploitation des résultats bruts
3.3 Comportement de la pâte
3.3.1 Influence du chemin de sollicitation
3.3.2 Influence de la vitesse de déformation
3.3.3 Influence de la température
3.4 Comportement des SMC à différents taux de fibres
3.4.1 Influence du chemin de sollicitation
3.4.2 Influence de la vitesse de déformation
3.4.3 Influence de la fraction de fibres à température ambiante
3.4.4 Influence de la température
3.5 Conclusion
4 Comportement du milieu fibres
4.1 Description du problème et formulation générale de l’équilibre
4.1.1 Hypothèses fondamentales
4.1.2 Système de numérotation
4.1.3 Description géométrique
4.1.4 Développements asymptotiques
4.1.5 Champ vectoriel quelconque
4.1.6 Formulation variationnelle de l’équilibre du réseau
4.2 Comportement du milieu continu équivalent : cas d’interactions visqueuses
4.2.1 Cas linéaire
4.2.2 Cas non linéaire
4.3 Application aux SMC
4.3.1 Génération d’un réseau représentatif
4.3.2 Lois de comportement des liaisons
4.3.3 Traitement numérique du problème d’homogénéisation
4.4 Expériences numériques et identification d’une loi de comportement
4.4.1 Remarques préliminaires
4.4.2 Modélisation par un fluide orthotrope 2D
4.4.3 Surfaces d’isodissipation et potentiel de dissipation visqueuse
4.4.4 Identification des fonctions rhéologiques
4.5 Conclusion
5 Lois de comportement adoptées
Conclusion
