Détection de l’endommagement dans un composite tissé PA66,6/Fibres de verre

Durant ces dernières années, un effort de plus en plus important a été effectué par les constructeurs automobiles afin de réduire le poids total de leurs véhicules de série. Ceci s‟explique par le durcissement de plus en plus important, notamment en Europe, des normes sur les émissions de CO2. Différentes solutions sont envisagées par les constructeurs automobiles afin d‟atteindre ces seuils. Sachant que d‟après des données des fabricants d‟équipements d‟origine, plus d‟1/3 de la consommation de carburant d‟un véhicule peut être imputé à sa masse, la réduction de cette dernière est une priorité de nombreux constructeurs automobiles. Les matériaux composites ont rapidement été considérés comme étant une solution adaptée au vu de leur ratio densité/rigidité très intéressant.

Les parties principales du véhicule visant à être remplacées par des matériaux composites peuvent être séparées en deux. Premièrement, celles près du moteur qui vont devoir résister à de hautes températures ; ensuite, celles qui servent à renforcer les performances structurelles du véhicule. Pour ce deuxième cas, on peut noter une étude réalisée par DuPont de Nemours et le groupe PSA visant à remplacer des poutres de protection antichoc métalliques par un équivalent en polyamide 66/6 renforcé de fibres de verre tissées (série VizilonTM). Ils ont montrés que leur solution permettait une réduction de 40% de la masse par rapport au matériau métallique. De plus, le composite peut également absorber plus d‟énergie lors d‟impacts.

Cependant, l‟utilisation de ces matériaux pour la conception de véhicules de grande série peut entrainer l‟apparition d‟endommagement durant le procédé de fabrication. Conséquemment, une solution de contrôle non destructif (CND) est nécessaire afin de contrôler la qualité des pièces après production. Cette méthode devrait également permettre un contrôle local du véhicule lors d‟évènements inattendus tel qu‟un choc à faible vitesse. Les méthodes basées sur les ultrasons ont pour avantages de pouvoir être implantées à un cout relativement peu élevé par rapport à d‟autres techniques de CND. De plus, elles peuvent être utilisées sans risque pour la santé de la personne en charge du contrôle, par rapport notamment aux rayons X. Enfin, étant présent dans l‟industrie depuis longtemps, les méthodes basées sur les ultrasons sont nombreuses et assez bien documentées. En conséquence, ce sont ces méthodes qui ont été choisies pour étudier l‟endommagement des pièces automobiles en matériaux composite.

Cependant, avant d‟étudier différentes méthodes de CND, le comportement mécanique et l‟endommagement induit doivent être caractérisés. Pour cela, différents types de sollicitations mécaniques doivent être considérés. Des cas de chargement en traction et d‟impacts à basse vitesse seront donc discutés.

Le matériau au centre de l‟étude est le polyamide 66/6 renforcé par trois plis de fibres de verre tissées. Ce composite est développé par DuPont de Nemours et sa conception a été optimisée en partenariat avec le groupe PSA. Plus généralement, ce sujet s‟inscrit dans le cadre de l‟Open Lab PSA « Materials and Processes » financé par le groupe PSA. Celui-ci implique également trois partenaires académiques : les Arts et Métiers ParisTech, l‟UMI Georgia Tech-CNRS (UMI 2958) tous deux basés à Metz et le Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST). Le présent sujet a été réalisé principalement au sein des laboratoires LEM3 UMR CNRS 7239 et LUNE (Laboratory for Ultrasonic Nondestructive Evaluation), respectivement basés sur le campus ENSAM-Arts et Métiers le campus de Georgia Tech Lorraine, tous deux à Metz. La proximité de ces deux laboratoires a permis une interaction forte avec ces deux établissements.

La matrice polyamide 66/6

Les polyamides font partie de la famille des polymères thermoplastiques. Ces derniers permettent à la fois une production plus rapide et à plus grande échelle ainsi qu‟un recyclage plus efficace. Ces trois points sont critiques dans l‟industrie automobile, qui doit assurer une production de véhicules suffisante par heures tout en satisfaisant les normes européennes. Ces dernières fixent le taux de réutilisation et de valorisation de 95% du poids total du véhicule depuis 2015.

D‟un point de vue mécanique, les polyamides sont connus pour leur haute charge à rupture, leur résistance aux chocs et à l‟abrasion. Plus spécifiquement, le polyamide 66/6 est un copolymère de polyamide 6 et polyamide 66. Il a été développé afin d‟avoir un compromis entre ces deux types de composites. En effet, le polyamide 6, présente une haute résistance à l‟impact et une haute dureté alors que le polyamide 66, a une meilleure rigidité. Ainsi, le polyamide 66/6 permet d‟avoir la bonne résistance à l‟impact du polyamide 6, indispensable pour les applications automobiles, sans sacrifier les propriétés mécaniques. Cependant, les polyamides sont également très sensibles à l‟humidité relative.

En effet, la réaction des liaisons hydrogènes avec l‟eau va entrainer leur affaiblissement ce qui a un impact direct sur les propriétés mécaniques du polyamide. Plus précisément, lorsque le taux d‟humidité relative augmente, leur module élastique a tendance à diminuer et leur ductilité à augmenter.

Le renfort en fibres de verres tissées

Les renforts tissés sont constitués de torons de fibres entremêlées suivant un motif choisi afin de constituer une structure complexe. Les torons dans la direction principale du tissage sont nommés torons du sens chaîne, alors que ceux perpendiculaires à cette direction sont nommés torons du sens chaine.

L‟un des avantages notable du renfort tissé est de limiter la propagation de délaminage [1]. Ce type d‟endommagement est l‟un des mécanismes les plus critiques, pouvant de plus apparaitre lors de sollicitations par impact. Ce choix de renfort peut donc augmenter la durée de vie du composite de manière significative après un choc à basse vélocité imprévus. Par ailleurs, le renfort tissé va également permettre, contrairement à un renfort unidirectionnel, un meilleur équilibre des propriétés mécaniques dans le plan du renfort. Néanmoins, ce type de renfort va entrainer une diminution, par rapport au renfort unidirectionnel, de la résistance maximale ainsi que du module élastique lors de sollicitation suivant l‟axe des fibres [2], [3].

Les composites utilisant ce type de renfort sont connus pour voir apparaitre des mécanismes d‟endommagements très spécifiques aux types de sollicitations considérés. Une étude des mécanismes susceptibles d‟apparaitre lors de sollicitions en traction, compression et flexion, menée par Karakaya et al. [2] a mis en avant l‟influence du type de sollicitation. Des échantillons orientés suivant le sens chaine ou orientés à 45° de celui-ci ont été considérés; ceux-ci étant évidemment les cas critiques lors de sollicitation en traction dans le plan du composite. Ces mécanismes seront discutés plus en détail, pour le composite de l‟étude, dans la partie dédiée à son étude microscopique pour le cas de la sollicitation en traction d‟échantillons orientés suivant le sens chaine et orientés à 45° de celui-ci.

Table des matières

Contents
List of figures
List of tables
Part I : Résumé étendu en Français
1) Introduction générale
2) Présentation du composite tissé de l’étude : Un polyamide 66/6
renforcé par des fibres de verre tissées
a) La matrice polyamide 66/6
b) Le renfort en fibres de verres tissées
3) Caractérisation du comportement mécanique du composite
étudié lors de sollicitations monotone et cyclique en traction
4) Etude des mécanismes d’endommagement : analyses
quantitatives et qualitatives
5) Méthodes ultrasonores de Contrôle Non Destructif (CND)
a) Détermination du tenseur de rigidité par mesure des vitesses de propagation
ultrasonore
b) Mesures par ondes de Lamb guidées
6) Validation sur échantillon impacté par poids tombant
7) Conclusion générale et perspectives
Part II: Damage detection in PA 66/6|Glass woven fabric composite material using ultrasonic techniques towards durability prediction of automotive parts
I) Introduction
1) Context
2) Objectives and research orientations
II) Description of the studied composite material: Woven glass
reinforced polyamide 66/6
1) Overview of composite material
a) Matrix Parts
b) Reinforcements
2) Components of the studied composite material
a) Glass fibers
b) Polyamide 66/6 matrix
c) Properties of the composite material
3) Conclusion
III) Characterization of the mechanical behavior of the studied
composite material under monotonic and cyclic loading
1) Description of the experimental procedure
2) Monotonic tensile test for the 0° configuration
3) Monotonic tensile test for the 45° configuration
4) Incremental cyclic tensile test
Contents
5) Conclusion
IV) Damage mechanisms investigation: quantitative and qualitative
analysis
1) Optical microscopy analysis of undamaged composite
2) Damage initiation
3) Fractography analysis
4) X-ray tomography analysis
a) 0° oriented – Undamaged sample
b) 0° oriented – Damaged sample
c) 45° oriented – Damaged sample
d) Void volume fraction evolution
5) Conclusion
V) Non Destructive Evaluation (NDE) methods based on ultrasound
1) Review of ultrasonic method of Non Destructive Evaluation
(NDE) of damage
a) Ultrasonic imaging techniques: transmission and reflection
b) Multi angle ultrasonic investigation of material
c) Guided waves based testing methods
d) Nonlinear acoustic method
e) Coda waves in Non-Destructive Testing
f) Synthesis of the Non Destructive Evaluation method review
2) Ultrasonic C-scan in transmission
3) Stiffness tensor components determination
a) Description of the experimental procedure and first analysis
b) Experimental results: 0° configuration after tensile test
c) Experimental results: 45° configuration after tensile test
d) Proposed damage indicators
4) Guided Lamb waves
a) Preliminary investigation on an aluminum plate
b) Investigations of the woven glass fiber reinforced polyamide 66/6 samples
damaged by tension
5) Conclusion
VI) Validation on samples impacted by drop weight
1) Drop weight impact tests
2) X-Ray tomography investigations of the impacted plates
3) Ultrasonic C-scan results
4) Validation of the ultrasonic based damage indicators
a) Ultrasonic measurement of stiffness components on the impacted plates
b) Guided waves based approach
5) Conclusion
VII) Concluding remarks and further works
1) Concluding remarks
2) Further works
Contents
VIII)References
IX) Appendix
1) Appendix 1: Damage investigation using nonlinear acoustic
methods on different woven fiber reinforced composite materials
a) Nonlinear Wave Modulation Spectroscopy (NWMS) method
b) Resonance frequency shift study
c) Nonlinear Resonant Ultrasound Spectroscopy (NRUS)
d) Conclusion
2) Appendix 2: Damage investigation using Coda Waves
Interferometry (CWI) technique on a woven carbon fibers reinforced
composite material
a) Presentation of the investigated composite material
b) Experimental set-up
c) Conclusion

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