Microstructure et perméabilité des tissus HM

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Procédés d’injection par voie indirecte

Les procédés d’injection par voie indirecte (ou voie sèche) sont les plus répandus et concernent la mise en forme de composites à partir de “semi-produits” (ou produits semi-finis) qui comprennent :
– les renforts semi-imprégnés (préformes déjà imprégnées avec des résines époxydes thermodurcissables et conservées à froid avant moulage), appelées également pre-preg, qui comprennent les BMC, DMC, TMC, ZMC ou autre, et qui sont mis en forme par thermocompression, par estampage ou par surmoulage ;
– les mélanges en “bandes” (préformes unidirectionnelles) qui comprennent les SMC, HMC, XMC ou autre et qui peuvent être mis en oeuvre par bobinage, enroulement filamentaire ou drapage en autoclave.
Les inconvénients majeurs de ce type de procédé sont :
– qu’ils nécessitent une main d’oeuvre très importantes ;
– les préformes pré-imprégnées s’avèrent particulièrement coûteuses en termes de stockage ;
– les pertes de matières engendrées par le procédé peuvent être relativement élevées.
Dans le cas de la mise en œuvre des thermoplastiques par voie indirecte, les procédés d’estampage et de thermocompression sont intéressants à prendre en compte puisqu’ils peuvent utiliser des polymères avec des gammes de viscosités élevées supérieures à 100-1000 Pa.s.
En revanche, ce type de procédé ne permet pas de réaliser de pièces structurales complexes ni bien maîtriser l’imprégnation du polymère fondu à travers la préforme. En conséquence, le projet de thèse se focalise sur un procédé d’injection par voie directe.

Procédés d’injection par voie directe

La mise en oeuvre par voie directe (ou voie humide) est beaucoup moins répandue et plus récente que par voie indirecte. Elle correspond à l’ensemble des procédés de fabrication de composites à partir des matières premières “brutes” où la résine est déposée sur ou à travers des renforts et/ou préformes initialements secs.
Parmi les différents procédés, nous pouvons retrouver :
– le moulage “au contact” ;
– la projection simultanée ;
– la pultrusion (Bréard & Saouab, 2005) (Baran, et al., 2015) (Babeau, 2015) ;
– les procédés d’injection en moule fermé “Liquid Composite Molding” (LCM) regroupant les procédés Resin Transfer Molding (RTM) et ses différentes variantes (RTM-TP HF, RTM réactif, C-RTM, VARTM, LRI, etc.) (Verrey, et al., 2006) (Studer & Dransfeld, 2015) (Gosselin & Robitaille, 2015).
L’inconvénient de ces procédés d’injection par voie directe est qu’ils nécessitent, pour la plupart, l’utilisation de polymères fluides dont les viscosités peuvent difficilement excéder les 10-20 Pa.s afin de faciliter la mise en œuvre et pour être compétitifs.
Le principal challenge de l’injection par voie directe dans l’utilisation de matrices thermoplastiques est donc de pouvoir contrôler à la fois les coûts et la cadence de production des pièces composites.
Afin de répondre à cette problématique, les deux voies les plus prometteuses dans l’élaboration des composites à matrice TP dans le secteur automobile sont :
– le RTM-TP utilisant des polymères d’imprégnation de haute fluidité (HF), étudié dans le cadre de cette thèse ;
– le RTM-TP réactif.

Du RTM-TP réactif au RTM-TP HF

Principe de l’élaboration par voie réactive

L’une des premières voies envisagées pour élaborer des composites à matrice thermoplastique destinés au secteur automobile est le RTM-TP réactif.
Ce procédé est étudié depuis une quinzaine d’années est a fait l’objet de nombreuses contributions scientifiques avec une variété de thermoplastiques tels que le PA-6, le PA 12, le PPE ou le PA 6,6 avec la collaboration notamment de l’entreprise Arkema® (Luisier, et al., 2001) (Verrey, et al., 2003) (Bersee & van Rijswijk, 2007) (van den Broek d’Obrenan, 2011).
Son principe est semblable à celui du RTM-TP HF présenté dans le paragraphe précédent à l’exception sauf qu’à l’étape d’« infiltration », des monomères sont introduits à l’état fondu dans le moule (à la place du polymère HF). Les monomères, plus fluides que le polymère, vont pouvoir ainsi être injectés rapidement dans la préforme, et une régulation de la température dans l’enceinte du moule va permettre de déclencher la réaction de polymérisation des réactifs. Le principe est le même que pour l’injection de résines thermodurcissables comme l’epoxy RTM6 par exemple (Arnaud, 2013). En fin de réaction, le polymère va ainsi remplacer les monomères ayant imprégné la préforme et les deux dernières étapes de « consolidation » et de « démoulage » restent inchangées (van Rijswijk & Bersee, 2007).
Cependant, l’une des plus grandes difficultés que rencontre l’élaboration par voie réactive se situe au niveau de la polymérisation in-situ qui est une étape cruciale et délicate à maîtriser.
Conscient de cet obstacle, le groupe Arkema® a récemment développé deux approches différentes:
– une voie « semi-réactive » à base non pas de monomères mais d’oligomères (très fluides et bien avancés dans la réaction de polymérisation) dont les chaînes polymères sont étendues lors de l’étape d’infiltration ;
– une voie « Latex » qui concerne l’injection de dispersions aqueuses de thermoplastiques.

L’alternative RTM-TP HF

Le RTM-TP employant des polymères de haute fluidité, au centre de l’étude présentée dans ce manuscrit, est une voie explorée très récemment qui se pose comme une alternative aux problèmes que rencontre l’élaboration par voie réactive.
Depuis 2011-2012, quatre outils RTM-TP ont été développés :
– le premier chez EADS Corporate ;
– le deuxième chez Hutchinson ;
– les deux derniers conçus pour le projet TAPAS dont un est utilisé dans ces travaux de thèse et un autre de plus petite taille au LTN Polytech’ Nantes dans les travaux de thèses de J. Faraj (Faraj, et al., 2016).
Les avantages qu’offrent le RTM-TP HF sont que ce dernier :
– est un procédé similaire au « moulage par injection » à partir des produits « bruts » à des pressions d’injection inférieures à 15 bars ;
– ne nécessite pas de post-traitement, ni de maîtrise de la « chimie » ou de la réaction de polymérisation lors de l’étape d’imprégnation. Le polymère reste le même tout au long du processus de mise en œuvre du composite.
En revanche, les deux inconvénients majeurs qui se posent à l’emploi du RTM-TP HF sont les fortes températures employées dans le procédé (supérieures aux températures de fusion du polymère) et les hautes viscosités des polymères qui ralentissent ainsi fortement les cadences de production.
Il est donc nécessaire de réduire les temps d’injection en modifiant des paramètres précis intrinsèques et extrinsèques présentés dans le paragraphe suivant.

Augmentation de la perméabilité de la préforme par ingénierie textile

Structure de base des tissus unidirectionnels

La perméabilité intrinsèque d’une préforme fibreuse, noté KGéo, représente l’aptitude que possède cette dernière à se laisser traverser par un fluide. Les préformes utilisées sont des empilements parallèles de tissus unidirectionnels à fibres longues de verre de type E à haut module mécanique (HM) fournies par le groupe Chomarat et injectées dans la direction des fibres.
Pour augmenter la perméabilité géométrique Kgéo d’une préforme, il est possible de modifier de nombreux paramètres des tissus dont, par exemple, le rayon des fibres. Afin de limiter le nombre de paramètres en jeu, la structure de base des tissus choisie est issue des travaux de thèse de Tran (Tran, 2010) et est schématisée sur la Figure I-4.
Ces tissus de verre à haut module sont constitués de trois éléments structuraux :
– des mèches principales de fibres de verre parallèles entre elles ;
– des fils de trame qui maintiennent les mèches principales entre elles sur leurs parties
supérieures et inférieures à l’aide d’une enduction et espacés d’une distance entre deux fils de trame supérieurs ;
– des fils de chaîne appelés « spacers » qui sont situés entre deux mèches principales, qui les écartent, qui serpentent entre les fils de trame supérieurs et inférieurs et qui compactent et maintiennent également le tissu.
Les fils de trame sont enduits d’un copolyamide pour maintenir le positionnement des mèches principales. Les mèches principales des tissus sont traitées avec un ensimage base polyuréthane (PU).
Des essais sont également menés sur différentes variantes de tissus avec un ensimage à base de polyamide (copo) pour une meilleure tenue en température.

Variantes de tissus et perméabilité ciblée

L’objectif imposé par le projet pour atteindre les temps d’injection souhaités, est d’obtenir des perméabilités de l’ordre de 10-9 m² pour ce type de préforme avec un taux volumique de fibres avoisinant les 50%.
De manière générale, augmenter le tant à renforcer davantage le polymère et à en augmenter sa tenue mécanique lorsque ce dernier est consolidé. En revanche, augmenter le taux volumique de fibres a également pour effet de diminuer la perméabilité du renfort et donc de limiter le passage de la matrice fondue ainsi que sa vitesse dans la préforme lors de l’étape d’infiltration.
Il convient donc, à partir d’un ≅ 50%, d’augmenter la perméabilité des préformes UD HM pour satisfaire non seulement les propriétés mécaniques de la pièce mais également les cadences d’injection imposées par le cahier des charges.
Afin de répondre à cette problématique, la structure de la préforme unidirectionnelle est modifiée à partir des trois éléments structuraux des tissus : mèches principales, spacers et fils de trame. Ainsi, plusieurs générations de tissus fabriqués et fournis par l’entreprise Chomarat® vont être testées. Les modifications de ces éléments structuraux se font dans l’optique d’élargir les canaux d’écoulement entre les mèches afin d’augmenter la perméabilité de la préforme.
Le travail présenté dans le chapitre II porte sur l’étude de la microstructure et de la perméabilité de différentes générations d’UD HM, à l’aide de mesures expérimentales de la perméabilité en milieu saturée Ksat et d’outils analytiques permettant d’estimer et de prédire la perméabilité Kgéo à partir de la répartition de l’espace poral. L’étude se base sur un raisonnement prenant en considération deux échelles de pores.

Paramètres extrinsèques et autres voies possibles

Le dernier jeu de paramètres à prendre en compte dans l’augmentation des cadences d’injection, est : la pression d’injection et/ou le débit d’injection . Ces paramètres extrinsèques peuvent directement être régulés sur le dispositif et permettent de réduire les temps d’injection, au même titre que et , pour atteindre l’objectif fixé.
Cependant, le procédé RTM utilisé possède des limites en termes de pression et de débit imposé et de trop fortes valeurs pourraient perturber le processus d’injection, ainsi que la santé-matière de la pièce composite mise en œuvre.
Afin de pallier cette limite, une autre voie non étudiée explicitement dans le projet TAPAS pour diminuer les temps d’injection : l’utilisation d’un procédé de type C-RTM comme alternative au RTM-TP. Une modification du procédé lui-même peut donc permettre, par exemple, d’élargir la gamme de pression imposée ou d’effectuer une injection en plusieurs points, afin d’augmenter de façon importante les cadences d’injection et réduire les écarts qui peuvent encore subsister après avoir optimisé tous les autres paramètres, extrinsèques comme intrinsèques.
Le C-RTM est utilisé par le partenaire industriel Hutchinson® et ne sera pas abordé dans cette thèse.
La Figure I-6 synthétise les voies possibles citées pour réduire les temps d’injection théoriques dans le cadre du projet de thèse. Un PA 6,6 de viscosité moyenne 20 Pa.s est pris comme référence.

Phénomènes à l’interface PA 6,6 – fibre de verre

Brève introduction du concept

Outre la faisabilité du procédé et l’étude de la perméabilité des préformes unidirectionnelles de verre, ces travaux de thèse se focalisent sur l’interface entre la fibre et la matrice, dans l’optique d’améliorer l’imprégnation du PA 6,6 à travers la préforme fibreuse et son étalement (ou mouillage) le long des fibres.
Le mouillage et l’adhésion d’un liquide sur un solide peuvent être caractérisés en termes d’énergies (Dupré, 1869) par le biais de deux paramètres : la tension superficielle, ou tension de surface à l’interface liquide/vapeur du liquide, notée (exprimée en J.m-2 ou en N.m-1), et l’angle de contact à l’équilibre (stabilisé sur le solide) formé par le liquide L déposé sur le solide S comme illustré sur la Figure I-7.

Table des matières

Liste des tableaux
Nomenclature
Introduction générale
Chapitre I : Faisabilité des composites thermoplastiques par RTM-TP : enjeux et démarche
Introduction
Positionnement et principe du RTM-TP HF
Différentes familles de procédés
Principe de fonctionnement du RTM-TP HF
Du RTM-TP réactif au RTM-TP HF
Cadences d’injection et paramètres pertinents
Estimation des temps d’injection
Réduction de la viscosité du polyamide 6,6
Augmentation de la perméabilité de la préforme par ingénierie textile
Paramètres extrinsèques et autres voies possibles
Optimisation de la santé-matière
Liens entre santé matière et microstructure
Phénomènes à l’interface PA 6,6 – fibre de verre
Imprégnation et nombre capillaire
Pression capillaire
Conclusions partielles
Chapitre II : Microstructure et perméabilité des tissus HM
Introduction
Mesures de la perméabilité sur les différents UD HM
Caractéristiques des variantes à disposition
Caractérisation sur le banc de mesure de perméabilité
Résultats obtenus
Micrographies MEB et Tomographies X
Echantillonnage
Observations micrographiques au MEB
Imagerie par tomographie aux rayons X
Répartition de l’espace poral
Estimation des rayons des fibres
Modèle analytique KC2E
Etat de l’art
Nombre adimensionnel
De l’équation de Navier-Stokes à la perméabilité en milieu saturé
Perméabilité à deux échelles de pores
Comparaison des perméabilités modélisées et mesurées
Prédiction de la perméabilité
Conclusions partielles
Chapitre III : Phénomènes aux interfaces : notions fondamentales et modèles en température
Introduction
Concepts et grandeurs caractéristiques
Mouillabilité, adhésion, adhérence et cohésion : définitions
Interactions et forces aux interfaces
Tension de surface, angle de contact et lois de la statique
Caractérisation des tensions de surface à l’interface liquide/vapeur
Méthodes de mesure
Modèles de prédiction
Caractérisation des énergies de surface à l’interface solide/vapeur
Démarche entreprise pour la caractérisation de γSV
Les équations d’état
Les approches à plusieurs composantes
Autres méthodes de caractérisation de γSV
Conclusions partielles
Chapitre IV : Mesures expérimentales des énergies de surface en température
Introduction
Matériaux utilisés
Liquides modèles
Substrats considérés
Protocole de mesure
Caractérisation de la tension de surface à l’interface liquide/vapeur
Dépôts de gouttes et mesures d’angles de contact
Caractérisation des composantes de la tension de surface en température
Caractérisation de l’énergie de surface du verre traité et non traité
Résultats sur les liquides et le verre en température
Résultats sur les liquides
Résultats sur la mesure des angles de contact
Résultats sur les composantes en température
Energies de surface calculées sur la lame de verre et son ensimage
Conclusions partielles
Chapitre V : Modélisation de la mouillabilité du verre par différents PA 6,6
Introduction
Le Polyamide 6,6 et ses formulations
Généralités, avantages et inconvénients
Les PA 6,6 de différentes masses moléculaires
Mélange entre différentes formulations de polyamide 6,6
Formulations au phénol formaldéhyde
Mesures de tension de surface en température
Protocole expérimental
Résultats des mesures des masses volumiques
Résultats sur les PA 6,6 non formulés et le mélange
Modèle de prédiction généralisé aux polymères
Démarche
Polymères considérés
Détermination des différents paramètres du modèle de Le Grand et Gaines
Modèle empirique
Comparaison entre les mesures et le modèle
Etalement statique du PA 6,6 sur le verre
Méthodologie et hypothèses de départ
Résultats
Estimation des composantes de la tension de surface
Modélisation de l’étalement du PA 6,6 sur le verre
Conclusions partielles
Chapitre VI : Matériaux composites élaborés par RTM-TP
Introduction
Plaques élaborées en RTM-TP
Matériaux utilisés
Dispositif RTM-TP et protocole
Plaques obtenues et conditions limites
Pression et saturation
Mesure de la pression totale
Influence de la pression capillaire
Temps d’injection
Taux de remplissage de la préforme
Saturation de la préforme
Nombre capillaire et vitesse d’écoulement optimaux
Santé-matière des matériaux composites élaborés
Etat physique de la matrice
Déformabilité du tissu lors de l’injection
Propriétés mécaniques
Matériaux
Essais de traction longitudinale
Essais de traction transversale
Réflexion sur une corrélation entre l’interface et l’adhérence
Comparaison entre l’injection au PA 6 et au PA 6,6
Adhésion fibre/matrice sur les plaques RTM
Corrélation entre mouillage/adhésion/adhérence et perspectives
Conclusions partielles
Conclusion générale et perspectives
Annexes
Références bibliographiques

Télécharger le rapport complet