Évolution de la température interne du flan pendant le moulage

Évolution de la température interne du flan pendant le moulage

De l’âge de pierre à l’ère aérospatiale, l’évolution de l’homme se trace au fil des découvertes et de la mise en œuvre des matériaux qui l’entourent. La progression au niveau du développement de nouveaux matériaux a permis d’assurer le pas à l’avancement technologique. L’époque actuelle n’est plus marquée par la transformation des matériaux existants, mais par le développement de matériaux synthétiques ou composites de hautes performances. En raison de leur nature, les matériaux composites offrent une meilleure flexibilité en matière de conception puisqu’ils permettent d’adapter localement leurs propriétés à une application spécifique. Cette flexibilité, jumelée à la diminution drastique de leurs coûts de mise en œuvre, a mené à une forte recrudescence de leurs utilisations dans le domaine de l’aéronautique. À titre d’exemple, la répartition des matériaux entrant dans la fabrication du Boeing 787 démontre de l’utilisation massive des composites en aéronautique, alors que 50% du poids total de l’appareil est fait de matériaux composites [1] (cf. Figure 1-1). Comme l’explique Marsh [2], l’avènement des matériaux composites a littéralement propulsé l’ industrie aéronautique, lui permettant de se développer à une vitesse fulgurante.

À ce jour, il existe de nombreuses familles de matériaux composites se déclinant en autant de configurations. Depuis peu, les composites à matrice thermoplastique de haute performance ont fait l’objet d’un intérêt grandissant des industries spécialisées. On retrouve plusieurs études de cas dans la littérature qui témoignent de ce fort intérêt, notamment dans le domaine des équipements de sport haut de gamme [3, 4], du transport [5] et de l’industrie militaire [6] . Or, l’industrie aéronautique est reconnue pour être l’une des plus intéressées par l’évolution des composites thermoplastiques, particulièrement les composites thermoplastiques à fibres continues (CTPFC) [7, 8] (cf. Figure 1-2). Notons d’ailleurs que jusqu’à tout récemment, l’exclusivité était détenue par les composites à matrice thermodurcissable. Cet engouement grandissant est relié au fait que les CTPFC présentent de nombreux avantages vis-à-vis de leurs contreparties thermodurcissables. On parle alors d’une meilleure tolérance à l’endommagement et à la propagation de fissures, des possibilités de recyclage, de l’absence d’une durée de vie en entreposage (<< shelf life ») et de délais de polymérisation de la matrice.

Les CTPFC peuvent être mis en forme selon un bon nombre de procédés. Cela permet la production de pièces à différentes échelles [9, 10]. Chaque classe de procédés vise la fabrication de pièces de taille et de géométrie spécifiques. En outre, les procédés de thermoformage des composites sont grandement utilisés à cause de leur capacité à mouler des pièces de géométries complexes et de tailles variées. Parmi ceux-ci se distingue le procédé de thermoformage-estampage. Il s’agit d’un procédé où un flan, initialement plat, est chauffé au-dessus de la température de fusion de la résine thermoplastique pour ensuite être déformé par l’entremise d’ un moule rigide qui conforme le matériau à sa géométrie finale. Il est d’ailleurs considéré comme l’un des procédés de fabrication des CTPFC les plus rentables, permettant une cadence et un volume de production élevés.

Sa mise en œuvre demeure néanmoins précaire. La phase de prototypage d’une pièce donnée est généralement réalisée par des essais itératifs. Cela amène inévitablement une augmentation des coûts de développement. Afin de bénéficier des nombreux avantages qu’expose ce procédé de mise en forme, il reste encore à développer des outils fiables qui permettront de prévoir le comportement de la préforme lors du moulage. Cela permettra, entre autres, de concevoir la pièce de-manière à optimiser sa faisabilité sans nuire à son fonctionnement. La formation de défauts, la réorientation des fibres et la distribution d’épaisseurs de la paroi sont généralement des aspects cruciaux pour juger de la qualité d’une pièce. Afin de mieux comprendre les enjeux reliés au thermoformage estampage des CFTC, de nombreuses études se sont penchées sur le sujet. Certaines, dont Hou [11], De Luca et coll. [12] et Trudel-Boucher et coll. [13], ont permis d’étudier la manière dont les composites réagissent à la mise en forme ainsi qu’aux paramètres du procédé. D’autres études se sont appliquées à caractériser les paramètres des matériaux vis-à-vis des principaux modes de déformation induits par le procédé, tel que le cisaillement intrapli et interpli [14-17] . D’autres encore se sont consacrées à modéliser ou à simuler la mise en forme par thermoformage-estampage, [18-20] ou encore à valider expérimentalement ces modèles [8, 12, 21, 22] afin de fournir à l’industrie de nouveaux outils de conception/simulation précis et efficaces. Jusqu’à maintenant, la plupart des recherches menées sur le thermoformage-estampage se sont concentrées sur les CTPFC à plis tissés, laissant peu de résultats directement applicables aux CTPFC à plis unidirectionnels. Or, Haanappel et coll. [8] ont clairement montrés que ces deux classes de matériau, bien que similaire, affichent un comportement différent lors de la mise en forme.

L’objet de la présente étude visait l’évaluation expérimentale du thermoformageestampage d’une pièce tridimensionnelle en vue de la détermination des paramètres ayant le plus d’influence sur la qualité de mise en forme. Le matériau étudié est composé d’une résine semi-cristalline, le polyéther-éther-cétone (PEEK), et de fibres de carbone unidirectionnelles formant l’un des matériaux composites les plus performants à ce jour, mais aussi l’un des plus difficiles à mettre en forme [23] . Un moule chauffant en acier a été spécialement conçu pour cette application. La géométrie de la pièce a été choisie de manière à combiner plusieurs géométries simples, qui ont souvent été utilisées dans la littérature. De plus, un programme d’acquisition et de contrôle a été développé dans le logiciel LabVIEWMc afin de contrôler la température du moule. Deux séries d’essais ont été effectuées afin de mettre en lumière l’implication du procédé sur la qualité de mise en forme des pièces. La première série d’essais se voulait une étude préliminaire du procédé afin de se familiariser avec les équipements et de développer une compréhension générale de l’effet du procédé sur la qualité de la pièce. Dans cette première série, 4 paramètres ont été étudiés: la température de préchauffage du laminé, la température du moule, le temps de transfert entre le four et le moule et finalement, la pression appliquée par la presse lors du moulage. La deuxième série d’essais s’est penchée sur certains aspects ayant été négligés lors de la première série, notamment, l’utilisation d’un cycle de moulage plus rapide et la considération du taux de cristallisation de la résine thermoplastique sur les propriétés au cisaillement du matériau. À la différence de la première série d’essais, la seconde néglige le temps de transfert et inclut plutôt un temps de résidence dans le moule chauffé. Dans les deux cas, le critère de qualité sur lequel s’est basée l’analyse des résultats était la consolidation de la pièce. Ce critère a été quantifié par la mesure de l’épaisseur de la paroi de la pièce et sa résistance au cisaillement interlaminaire.

Description du procédé

Les procédés de thermoformage des composites s’appliquent aux pièces minces (différence marquée entre l’épaisseur et les autres dimensions) dont l’épaisseur reste généralement uniforme sur la totalité de la pièce. Ils impliquent la déformation d’une plaque de composite, initialement plane, que l’on appelle le flan . Ainsi, le flan, dont la matrice est à l’état fondu, est alors mis en forme en le comprimant contre la surface d’un moule rigide. La conformation du flan sur le moule définit la géométrie finale de la pièce. Il existe une multitude de procédés de thermoformage des composites qui varient en fonction de la façon dont la déformation du flan s’effectue.

Les différents procédés de thermoformage des composites 

Il existe plusieurs procédés de thermoformage des composites. Les plus importants sont discutés par Lebrun [24] et Vaidya et Chawla [9]. Ces procédés figurent sous quatre classes, suivant la façon dont la déformation du flan s’effectue lors du moulage. Le moulage sous vide avec diaphragme (( diaphragm forming »), tel que montré dans le haut de la Figure 2-1, consiste à insérer le flan entre deux diaphragmes de manière à former une enveloppe hermétique. Le vide est ensuite fait à l’intérieur de cette enveloppe. Comme pour tous les procédés de thermoformage des composites, le toutµ est préchauffé dans un four à une température excédant la température de fusion de la matrice. Le flan est ensuite placé au-dessus de la cavité du moule. Une pression négative (vacuum) est ensuite appliquée à l’intérieur de la cavité du moule et une pression positive (facultative) est appliquée à l’autre surface du flan. Les différences de pression engendrées entre les deux surfaces du flan provoquent la déformation de ce dernier jusqu’à se conformer complètement au moule.

L’hydroformage, montré au centre de la Figure 2-1, utilise un réservoir muni d’une membrane élastique. Le réservoir est rempli d’un liquide quelconque. Lors de la mise en forme du flan, un poinçon, ayant la forme finale de la pièce, vient presser le flan, à l’état fondu, sur la membrane du réservoir. La pression hydrostatique ainsi générée conforme le matériau à la géométrie du poinçon.

Le procédé de thermoformage-estampage 

Dans le cas présent, l’intérêt est tourné vers le procédé de thermoformage-estampage. Ce procédé est similaire au procédé d’estampage des tôles métalliques. A priori, le laminé doit être préconsolidé, c’est-à-dire que l’empilement des plis est d’abord réalisé, puis placé dans un moule plat chauffé. Une presse ferme alors le moule et exerce une pression pour consolider les plis en une seule et même plaque. Le tout se fait à une température excédant la température de fusion du thermoplastique. La plaque est maintenue à cette température, et sous pression, pour un temps de résidence d’environ 15 à 30 minutes afin de permettre à la résine de bien imprégner le réseau de fibres. Au terme de cette attente, la plaque est refroidie et lorsque sa température atteint la température de démoulage (autour de la température de cristallisation de la matrice), elle est démoulée. Elle peut être utilisée à sa pleine grandeur ou découpée en plusieurs flans. La préconsolidation des flans est une étape préparatoire au procédé de thermoformage-estampage .

Le procédé en soi implique l’utilisation d’un moule rigide bipartite, composé d’un poinçon et d’une matrice (cf. Figure 2-2). Le processus de mise en forme général est dépeint à la Figure 2-3. D’abord, le flan est placé dans un cadre support puis est transféré dans un four pour y être préchauffé. La température de préchauffage dépend de plusieurs facteurs, mais elle doit être suffisamment élevée pour fondre complètement la résine thermoplastique. Une fois la température de préchauffage atteinte, le flan est transféré entre le poinçon et la matrice pour y être conformé. Le moule peut être chauffé ou laissé à la température de la pièce. Encore une fois, le choix de chauffer ou non le moule est fonction de nombreux facteurs. Une fois le moule refermé, la pression d’estampage est maintenue pendant un court instant afin de permettre à la matrice thermoplastique de se solidifier. Une fois la pièce suffisamment rigide pour être manipulée, elle est démoulée et rognée. Dans certains cas, l’utilisation d’un système de serrage spécialisé, appelé « serre flan », est indiquée. Sa fonction principale étant d’induire une contrainte de tension dans le composite il influence la déformation du matériau sur deux plans: il favorise le réarrangement des fibres par cisaillement intrapli et réduit les contraintes de compression planes auxquelles sont sujettes les fibres .

Configuration des matériaux 

À la base, un matériau composite est constitué de deux composants élémentaires : la matrice et le renfort. Dans le cas présent, les CTPFC sont composés d’une matrice thermoplastique et d’un renfort sous forme de plis (ou couches) de fibres UD continues. Les matériaux employés comme matrice et renfort sont multiples (par exemple, les matrices de polypropylène, polyamide, polyétherimide, etc. et les fi bres de carbone, verre, etc.).

Contraintes cinématiques reliées aux matériaux

De par leur nature, les CTPFC sont soumis à deux contraintes dites « cinématiques» : l’inextensibilité des fibres et l’incompressibilité générale du composite. Ces deux contraintes sont d’une grande importance puisqu’elles régissent la manière dont un composite réagit lors de sa mise en forme. La contrainte d’inextensibilité est reliée à la rigidité longitudinale des fibres. Ainsi, lorsqu’une fibre est soumise à un chargement longitudinal, elle ne montre qu’une très faible déformation, quasiment nulle, dans la direction de la charge. La contrainte d’ incompressibilité renvoie à l’impossibilité de comprimer le composite, ou d’en modifier le volume pour une même quantité de matière (masse volumique constante).

Mécanismes de déformations 

Comme mentionnée précédemment, la mise en forme d’une pièce selon une géométrie donnée implique nécessairement la déformation et le réarrangement de la matière au sein même du flan . Dans le procédé de thermoformage-estampage, la déformation globale du matériau est générée par la somme de plusieurs mécanismes de déformation qui tirent souvent leur source de la nature des composants élémentaires qui le compose et des efforts générés par la mise en forme. Selon McEntee et 6 Bréldaigh [271, il existe une hiérarchie à ces mécanismes basée sur la complexité géométrique de la pièce finale. Ces mécanismes sont présentés dans la liste ci-dessous, suivant l’ordre hiérarchique préétablit par McEntee et 6 Bradaigh [27] .

Défauts structuraux typiques 

Comme dans tout procédé, la mauvaise maîtrise des paramètres de fabrication entraîne inexorablement la création de défauts. Dans le cas de la mise en forme des composites à fibres continues, les défauts structuraux sont les plus critiques puisqu’ils peuvent diminuer drastiquement la résistance mécanique de ces derniers. De surcroît, le procédé de thermoformage-estampage est capricieux en ce sens qu’il nécessite un ajustement adéquat des paramètres de mise en forme afin de produire une pièce sans défaut.

Choix du matériau

Tel que mentionné dans l’introduction, le matériau utilisé dans le cadre de ce projet est le CETEX TC1200 PEEK [47], commercialisé par TenCate Inc. Il est composé à 59% de fibres de carbone de type AS-4, en fraction volumique, et d’une résine thermoplastique semi-cristalline, le polyéther-éther-cétone, dont l’appellation est abrégée par l’acronyme PEEK (de l’anglais: {( poly-ether-ether-ketone »). Ce composite est vendu sous la forme de rouleaux de fibres unidirectionnelles (UD) préimprégnées. Les fibres UD sont alors alignées dans le sens de la longueur du rouleau et sa largeur était de 304.8 mm (12 pouces). L’épaisseur nominale d’une couche est de 0.14 mm (0.0055 po) d’épaisseur. Pour toute information supplémentaire, le lecteur est référé à la fiche technique du produit.

Les plaques utilisées pour les essais expérimentaux étaient composées d’un empilement de 24 couches (ou plis) de CETEX TC1200 PEEK empilées les uns sur les autres et préconsolidés dans une presse à plateaux chauffants afin de produire un laminé de 3.35 mm d’épais. L’empilement choisi pour la fabrication de ces plaques était [0°/90°]12, soit une alternance de plis à 0° et à 90°. Ces plaques ont été fabriquées par deux partenaires industriels différents, au gré de la disponibilité de leurs presses. Toutefois, chaque série d’essais a été réalisée avec des plaques provenant de la même source. Les partenaires sont le Centre de Développement des Composites du Québec (CDCQ) du cégep de St Jérôme, et faisant partie du Conseil National de Recherche du Canada (CNRC), l’Institut des matériaux industriels (IMI) de Boucherville ainsi que le Centre des Technologies de Fabrication en Aérospatiale (CTFA) de Montréal.

Procédure générale de mise en forme des pièces

Le procédé de moulage par thermoformage-estampage a été étudié suivant deux approches distinctes que nous appellerons l’approche non isotherme et l’approche isotherme. Dans les deux cas, le flan préconsolidé est d’abord placé dans le cadresupport, puis dans un four pour y être chauffé à une température spécifique, au-delà de la fusion de la matrice thermoplastique. Le moule, quant à lui, est chauffé et maintenu à une température de consigne déterminée. Dès que la température du thermocouple situé à mi-épaisseur du flan atteint, de manière stable, la température de consigne pour la préchauffe, le flan est retiré du four et rapidement transférer entre les deux parties du moule. Le transfert se fait de manière manuelle et prend une dizaine de secondes, plus ou moins une (1) seconde. À la fin du transfert, le flan est ensuite précisément positionné dans le moule, par l’entremise d’un montage de positionnement fixé au plateau inférieur de la presse. Par la suite, les plateaux de la presse sont fermés et le flan est déformé de manière à épouser la géométrie du moule. La force générée par la presse lors de la fermeture du moule permet de pressuriser le laminé et de reconsolider celui-ci. C’est à ce moment précis que se distinguent les deux approches de moulage.

Conclusion

Pour conclure, rappelons que le but de ce travail visait l’évaluation expérimentale de l’effet du procédé de thermoformage-estampage sur la qualité de consolidation des pièces moulées. Pour ce faire, deux séries d’expériences ont été menées. La première était basée sur un plan d’expérience de type Lg. Cette première série d’essais a permis d’évaluer le procédé suivant un cycle de mise en forme non isotherme, cycle au cours duquel la pièce est refroidie en même temps que le moule jusqu’à une température de démoulage. Suite à ces essais, la qualité de consolidation a été quantifiée par l’épaisseur de la paroi à la base de la pièce et par la contrainte de cisaillement interlaminaire à la rupture. Lors de l’analyse des résultats à l’aide de la méthode de l’analyse de variance (ANOVA), la température du moule a montré une forte influence sur la consolidation des pièces. Effectivement, le moulage non isotherme s’est montré la méthode la plus efficace pour mouler des pièces de qualité, dans la mesure où la température du moule était plus élevée que la température de fusion du PEEK. Dans ce cas, par contre, le temps de cycle pour le moulage d’une pièce est très long, du fait qu’il faut chauffer le moule pour ensuite le refroidir, et ce, pour chaque essai de moulage. À partir de ces essais, il a aussi été possible d’identifier la température de préchauffage du laminé et la pression d’estampage comme des paramètres influençant la consolidation et les propriétés en cisaillement interlaminaire.

Table des matières

CHAPITRE 1. INTRODUCTION 
CHAPITRE 2. DÉFINITION DES CONCEPTS USUElS 
2.1. INTRODUCTION
2.2. DESCRIPTION DU PROCÉDÉ
2.2.1. Les différents procédés de thermoformage des composites
2.2.2. Le procédé de thermoformage-estampage
2.3. CONFIGURATION DES MATÉRIAUX
2.4. CONTRAINTES CINÉMATIQUES RELIÉES AUX MATÉRIAUX
2.5. MÉCANISMES DE DÉFORMATIONS
2.6. DÉFAUTS STRUCTURAUX TYPIQUES
CHAPITRE 3. REVUE DE LA LITTÉRATURE 
3.1. ÉVALUATION EXPÉRIMENTALE DE LA MISE EN FORME
3.1.1. Influence de la pression d’estampage et de la compaction.
3.1.2. Influence du système de serre-flan
3.1.3. Influence de la température d’estampage
3.1.4. Influence de la vitesse d’estampage
3.2. CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
3.2.1. Caractérisation de la viscosité en cisaillement des matériaux
3.3. MODÉLISATION DU THERMOFORMAGE- ESTAMPAGE
3.4. OBJECTIF DU PROJET DE MAÎTRISE
CHAPITRE 4. MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE 
4.1. CHOIX DU MATÉRIAU
4.2. MONTAGE EXPÉRIMENTAL
4.2.1. Unité de préchauffage
4.2.2. Cadre-support
4.2.3. Unité de moulage
4.2.4. Unité de contrôle
4.3. PROCÉDURE GÉNÉRALE DE MISE EN FORME DES PIÈCES
4.4. MÉTHODES DE MESURE
4.4.1 . Découpe des échantillons
4.4.2. Mesure de l’épaisseur de la paroi
4.4.3. Résistance au cisaillement interlaminaire
CHAPITRE 5. PREMIÈRE SÉRIE D’ESSAIS 
5.1. INTRODUCTION
5.2. PLAN D’EXPÉRIENCE
5.2.1. Définition des paramètres d’intérêt
5.2.2. Réponses mesurées
5.2.3. Planification des essais
5.3. VÉRIFICATION DE LA CAPACITÉ DU PROCÉDÉ
5.4. RÉSULTATS BRUTS
5.4.1. Température interne du flan lors de la misë en forme
5.4.2. Épaisseur de la paroi
5.4.3. Cisaillement interlaminaire
5.5. ANALYSE ET DiSCUSSiON
5.5.1. Analyse de la variance (ANOVA)
5.5.2. Discussion
CHAPITRE 6. DEUXIÈME SÉRIE D’ESSAiS 
6.1. INTRODUCTION
6.2. PLAN D’EXPÉRIENCE
6.2.1. Définition des paramètres d’intérêt
6.2.2. Réponses mesurées
6.2.3. Planification des essais
6.3. RÉSULTATS BRUTS
6.3.1. Évolution de la température interne du flan pendant le moulage
6.3.2. Mesure de la pression d’estampage pendant le moulage
6.3.3. Épaisseur de la paroi de la pièce
6.3.4. Contrainte de cisaillement interlaminaire
6 .4 . ANALYSE ET DiSCUSSiON
6.4.1. Analyse de la variance (ANOVA)
6.4.2. Discussion
CHAPITRE 7. CONCLUSION

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