Mise en forme de préformes textiles sur des géométries à double courbures

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Mise en oeuvre de plaques composites par consolidation autoclave

Dans cette section est détaillée la méthode de fabrication des plaques composites à partir des semi-produits poudrés et comélés par consolidation en autoclave.

Description de la méthode de mise en oeuvre des plaques composites

Les plaques composites sont constituées de 6 plis de semi-produits de 400 × 300mm2 avec une séquence d’empilement de [0◦]6. L’orientation [0◦] correspond à la direction du renfort sens chaîne autrement dit, la direction de déroulement du rouleau de renfort textile. L’épaisseur totale du stratifié visée est de 1, 9 mm±0, 1 mm avec le semi-produit poudré et de 1, 8 mm ± 0, 1 mm avec le comélé. Les plis de semi-produit sont disposés dans un empilement, présenté en coupe [Figure 3.5], qui détaille les différents sousensembles utilisés pour la consolidation. Les 6 plis de semi-produits (1) sont placés entre deux plaques en Kovar (2) (cf. Annexe B) afin de limiter les déformations résiduelles après élaboration liées à la non-symétrie miroir de l’empilement. Un film polyimide (3) est utilisé comme séparateur de l’ensemble tissu/plaque Kovar pour favoriser le démoulage de la plaque composite en fin de procédé.
Figure 3.5 – Schéma en coupe de l’empilement utilisée pour la mise en oeuvre en autoclave des plaques composites
Plusieurs couches de feutre drainant (AIRWEAVE® UHT 800) (4) sont disposées en périphérie et au-dessus des empilements de renfort textile [Figure 3.6]. L’objectif est de permettre un premier compactage des plis et de réduire le nombre de bulles d’air retenues dans le stratifié durant la phase d’imprégnation. Un « cadre périphérique » constitué de deux épaisseurs de grilles en acier, entourées d’un feutre drainant en verre tissé, vient compléter l’ensemble afin de maintenir le vide sous la bâche.
Relations microstructure / propriétés mécaniques des plaques composites C/PPS
Figure 3.6 – Configuration du tissu drainant utilisé pour l’évacuation de l’air présent dans le renfort textile
L’ensemble est isolé de l’environnement extérieur par un film en PTFE (5) de désignation VB-3 (Cytec). Une des bâches utilisées dans le cadre de cette campagne est visible en [Figure 3.7].
Figure 3.7 – Vue de surface de la bâche à vide en film PTFE (VB-3) en cours de mise sous vide
Sa température maximale de service est de 315 ◦C et son taux d’élongation à rupture est suffisamment grand pour prévenir d’éventuelles ruptures (500%). L’ensemble est posé sur un outillage plat en acier (8). L’étanchéité est faite avec un mastic haute température (A-800-3G) (6) développé par la société Airtech. L’évacuation de l’air contenu dans la poche à vide se fait via une valve (VAC VALVE 409SS HTR – [Airtech]) installée directement sur le film en PTFE (7). Une deuxième valve est installée pour pouvoir mesurer la pression interne et suivre l’évolution du niveau de vide dans la bâche au cours de la consolidation. Un agent de démoulage (Frekote 700N) est également appliqué sur toutes les surfaces métalliques et sur les films en polyimide directement en contact avec le renfort textile.
Les plaques ont été fabriquées soit en autoclave soit en étuve Nabertherm® pour les essais ne nécessitant pas l’utilisation d’une pression externe pour consolider les plaques composites. Les données techniques des moyens de mise en oeuvre sont détaillées dans le [Tableau 3.2].

Définition des cycles de consolidation

Un cycle autoclave est défini par plusieurs paramètres qui ont été rappelés dans le Chapitre 1. Afin d’obtenir des plaques composites à différents niveaux de porosité, une campagne d’essai de consolidation a été définie. La durée du palier de consolidation, la pression autoclave et le niveau de vide dans la bâche ont été considérés comme les paramètres ajustables et mesurables du cycle de mise en oeuvre. La température de consolidation (315◦C) ainsi que les vitesses de chauffage (∼ +6◦C/s) et de refroidissement (∼ −5◦C/s) sont restées constantes pour l’ensemble des plaques élaborées. Le profil du cycle réel de température est proche de celui de la consigne : une série de thermocouples placés sur et dans la bâche ont permis de le vérifier. La [Figure 3.8a] représente un cycle autoclave type utilisé pour la fabrication des plaques composites.
Dans ce cas de figure, la durée du palier de consolidation à 310◦C est de 20 min, le niveau de vide consigne est de −0, 07 MPa et la pression externe est de 0, 5 MPa avec une application dès le début du cycle. Les figures [Figure 3.8b] et [Figure 3.8c] présentent les différentes configurations étudiées en pression externe (PExt) et en durée de palier de consolidation (tpalier). Plusieurs niveaux de pression externe ont été testés afin de générer plusieurs taux de compaction et taux volumiques en fibres : 0,5 MPa, 1,0 MPa, 1,2 MPa et 1,7 MPa. Plusieurs durées de consolidation comprises dans l’intervalle [10 min − 25 min] ont été étudiées. La pression sous la bâche (Pinterne) est mesurée en temps réel afin d’évaluer l’évolution du niveau de vide pendant les différentes phases du cycle autoclave.
Le [Tableau 3.3] récapitule les paramètres cycles utilisés pour chaque plaque consolidée.
Les valeurs de pressions internes maximales atteintes y sont également reportées. Pour les plaques A4, B4 et B5, des paliers intermédiaires en pression de P1 = 0, 3 MPa ont été appliqués pour assurer une première compaction du renfort. Le deuxième palier de pression (P2 = Pext) est atteint pour une température d’environ 260◦C dans la bâche.

Les problématiques liées à la bâche à vide

Étanchéité de la bâche à vide

Un des problèmes récurrents dans la mise en oeuvre des plaques composites à matrice thermoplastique vient de la difficulté à maintenir un niveau de vide satisfaisant au sein de la bâche tout au long du cycle autoclave. Le [Tableau 3.3] indique que la valeur consigne de −0, 07 MPa n’est respectée pour aucun des essais. Le vide est même totalement perdu pour les plaques A4 et B4. Seules les plaques A3, A5 et A6 ont été obtenues avec une pression interne inférieure à la pression atmosphérique tout au long du procédé.
Pour les plaques restantes, une pression interne positive (≥ Patm) pouvant atteindre les 0, 06 MPa est mesurée. Lors de consolidations en étuve, c’est-à-dire en l’absence d’application de pression externe, il a été observé une diminution du niveau de vide au cours du chauffage pour ensuite se stabiliser à une valeur intermédiaire lors de la phase de consolidation. Le constat est le même pour les cycles de consolidation en autoclave avec, pour les plaques A3 et B5, une variation du niveau de vide au cours du temps [Figure 3.9] et [Figure 3.10]. L’augmentation combinée de la température et de la pression externe sur la bâche entraîne une augmentation de la pression interne (cf. ①) . Tout comme pour les essais en étuve, ce niveau se stabilise durant le palier de consolidation (cf. ②).
Finalement, le niveau de vide augmente à nouveau lors de l’amorçage du refroidissement de l’autoclave. Il redevient, en fin de mise en oeuvre, quasiment identique à sa valeur initiale en début de cycle, c’est-à-dire lorsque T = Tambient et Pext = 0 MPa.
Pour les plaques A4 et B4, dont le cycle autoclave est représenté en [Figure 3.11], cette perte de vide arrive au cours de l’application progressive de la pression externe finale (1, 7 MPa). Elle s’explique par un défaut d’étanchéité au niveau de la bâche à vide au cours du cycle caractérisé par la montée très rapide (+0, 025 MPa/min) de la pression à l’intérieur de la bâche. L’origine de ce défaut vient du choix des produits d’environnement utilisés pour fabriquer la poche à vide.
Plusieurs facteurs peuvent expliquer cette perte d’étanchéité [Figure 3.12] :
➢ Décollement de la bâche au cours de l’essai – (a) : Le mastic utilisé (A- 800-3G) a une température maximale de service de 427◦C. Il possède une bonne adhérence à haute température. Cependant, ses performances en termes d’adhésion sont plus faibles à plus basse température. Pendant la phase de chauffage et jusqu’au palier de consolidation, l’adhésion mastic/bâche et mastic/outillage n’est donc pas optimale. Il est recommandé d’appliquer un deuxième circuit de vide avec un deuxième mastic qui assure l’étanchéité à basse température. Par ailleurs, des bulles sont présentes à l’interface mastic/bâche du fait des aspérités de surface du mastic [Figure 3.12-(a)]. Ces aspérités constituent des poches étanches du reste du système qui, après application d’un cycle autoclave, augmentent en volume et réduisent la surface de contact entre le mastic et la bâche favorisant ainsi son décollement. Un dégazage de la bâche et/ou du mastic pourrait être à l’origine de l’augmentation de la pression et donc du volume des bulles emprisonnées entre le mastic et la bâche.
➢ Rupture localisée de la bâche (b) : La configuration de la poche à vide avec l’intégration des valves pour l’évacuation de l’air directement sur le film PTFE engendre des fragilités. Un mauvais placement de la valve sur la bâche peut occasionner, lors de l’application de la pression externe, une rupture de celle-ci.
D’autres facteurs peuvent impacter la résistance à rupture du film tels que l’impact de projectiles, une mauvaise manipulation du film lors de la phase de préparation ou de l’installation finale dans l’autoclave.
➢ Zones fragiles liées à la mise en place de la bâche (c) : Afin de limiter l’apparition de plissements de la bâche dans la zone contenant les empilements de renfort et les valves d’évacuation de l’air lors de la mise sous vide, des plis sont volontairement créés en périphérie. Cependant, ces plis forcés, aussi appelés « oreilles », peuvent générer des pertes d’étanchéité localisées. Une attention toute particulière doit être prise par l’opérateur lors de l’étape de pose du film PTFE.

Incapacité du tissu drainant à remplir son rôle d’évacuation de l’air dans la poche à vide

L’efficacité du tissu drainant diminue avec l’augmentation de la pression externe de consolidation. On pourrait caractériser l’efficacité du feutre drainant, pour un cycle donné, en fonction de la pression interne maximale atteinte lors du palier de consolidation.
L’objectif est, bien évidemment, de rester le plus proche possible de la valeur consigne ou, à minima, de rester en négatif (< Patm). Finalement, on constate une difficulté accrue dans la mise en oeuvre de plaques composites (poudré ou comélé) lorsque la pression externe utilisée dépasse 1, 0 MPa.

Bilan des essais de consolidation

Plusieurs plaques drapées à partir de renforts textiles comélés ou poudrés ont été mises en oeuvre avec les différents cycles de consolidation. Malgré le fait que les cycles objectifs visés n’aient pas été tenus, principalement du fait des pertes d’étanchéité lors de la mise en oeuvre, les plaques élaborées ont permis de couvrir une plage suffisante de niveau de porosité pour permettre d’étudier l’influence du niveau de porosité sur les propriétés mécaniques des composites.
Les épaisseurs de chaque plaque ont été mesurées puis comparées avec l’épaisseur d’un stratifié parfaitement consolidé, avec une absence de porosité (mise en oeuvre par thermo compression sous presse). Cette valeur de référence figure dans les données techniques du fabricant. L’ensemble de ces valeurs, reportées dans le [Tableau 3.4] permet d’avoir une première estimation du niveau de consolidation global des plaques composites.
Les plaques composites consolidées à partir du renfort C/PPS poudré ont une épaisseur par pli moyenne de 0, 320 mm soit juste au-dessus de la valeur indiquée par la société PORCHER. Seule la plaque A4 avec une épaisseur par pli de 0, 30 mm a une valeur inférieure à celle de référence. Cependant, la dispersion de 0, 15 mm indique une forte hétérogénéité en termes d’épaisseur de cette plaque, caractéristique d’un niveau de consolidation inégal.

Table des matières

Introduction générale
1 État de l’art
1.1 Généralités sur les matériaux composites de la famille des thermoplastiques
1.1.1 Le choix du renfort et de la matrice
1.1.1.1 Le renfort : fibres de carbone
1.1.1.2 Les matrices thermoplastiques
1.1.1.3 Le cas du polysulfure de phénylène
1.1.2 Les semi-produits composites à matrice thermoplastique
1.1.2.1 Les architectures fibreuses tissées
1.1.2.2 Typologie des semi-produits thermoplastiques renforcés carbone
1.2 Effet de la mise en forme du semi-produit sur les propriétés de la pièce composite
1.2.1 Les problématiques liées à la mise en forme des préformes textiles
1.2.2 Les modes de déformation des préformes textiles
1.2.3 Les méthodes de caractérisation de la déformation en cisaillement des renforts textiles
1.2.3.1 Le « Bias Extension Test »
1.2.3.2 « Le Picture Frame »
1.2.3.3 Comparaison Bias extension Test – Picture Frame
1.2.4 Modélisation de la déformation d’une préforme textile
1.2.4.1 Approche cinématique
1.2.4.2 Vers la prise en compte du comportement mécanique du renfort
1.3 Caractérisation des structures composites par mesure sans contact
1.3.1 Mesure de champs par corrélation/stéréo-corrélation d’images
1.3.1.1 Principe de la corrélation d’image
1.3.1.2 Application aux renforts textiles
1.3.2 Contrôle non destructif de la santé matière du composite
1.3.2.1 Contrôle qualité d’une plaque composite par ultrason
1.3.2.2 Vers une analyse plus approfondie de la structure interne du matériau par tomographie à rayons X
1.4 Les procédés « classiques » de mise en oeuvre par moulage de pièces composites
1.4.1 Généralités
1.4.2 Procédé retenu : la consolidation en autoclave
1.4.2.1 Présentation du dispositif
1.4.2.2 Le principe de la mise en oeuvre par autoclave
1.4.2.3 Le choix des produits d’environnement
1.4.2.4 Définition du moule pour la consolidation de pièces à géométries complexes
1.5 La mise en oeuvre des composites à matrice thermoplastique
1.5.1 Effet du procédé de consolidation par autoclave sur le matériau
1.5.2 Relation microstructure/propriétés mécaniques d’une pièce composite
1.6 Bilan intermédiaire
2 Mise en forme de préformes textiles sur des géométries à double courbures
2.1 Caractérisation en cisaillement plan par l’essai « Bias Extension Test »
2.1.1 Mise en place de l’essai « Bias Extension Test »
2.1.2 Comportement en déformation non-linéaire de la préforme textile
2.2 Étude de la drapabilité du semi-produit sur une géométrie complexe
2.2.1 Pilote d’emboutissage de préformes textiles et instrumentation
2.2.1.1 Présentation du pilote
2.2.1.2 Présentation du banc multi-caméras
2.2.1.3 Présentation du serre-flan
2.2.1.4 Présentation des poinçons d’emboutissage
2.2.1.5 Mise en place du renfort sur le dispositif de drapage
2.2.2 Mesure des champs de déformation du renfort textile
2.2.2.1 Validation du mouchetis artificielle pour mesurer les champs de déformation par stéréocorrélation d’images
2.2.2.2 Application de la technique de stéréocorrélation afin d’obtenir le champs de déformation
2.2.2.3 Calcul de l’angle de cisaillement
2.2.2.4 Validation du calcul de l’angle de cisaillement à travers l’essai « bias extension test »
2.2.3 Influence de la géométrie dans la déformation des préformes textiles
2.2.3.1 L’hémisphère
2.2.3.2 Tétraèdre
2.2.3.3 Poinçon parallélépipédique avec congés d’arête
2.2.4 Évaluation de la mesure du champ de déformation
2.3 Simulation du drapage à partir de la méthode du filet
2.3.1 Méthode
2.3.2 Hémisphère
2.3.3 Parallélépipède à congés d’arête
2.3.4 Tétraèdre
2.4 Bilan intermédiaire
3 Relations microstructure / propriétés mécaniques des plaques composites C/PPS
3.1 Les matériaux de l’étude
3.2 Mise en oeuvre de plaques composites par consolidation autoclave
3.2.1 Description de la méthode de mise en oeuvre des plaques composites
3.2.2 Définition des cycles de consolidation
3.2.3 Les problématiques liées à la bâche à vide
3.2.3.1 Étanchéité de la bâche à vide
3.2.3.2 Incapacité du tissu drainant à remplir son rôle d’évacuation de l’air dans la poche à vide
3.2.4 Bilan des essais de consolidation
3.3 Les méthodes de caractérisation appliquées à l’analyse des plaques composites
3.3.1 Caractérisation mécanique des plaques composites
3.3.1.1 Traction sens chaîne et trame
3.3.1.2 Compression
3.3.1.3 Flexion 3 points
3.3.1.4 Cisaillement interlaminaire – CIL
3.3.2 Analyse microstructurale des stratifiés composites
3.3.2.1 Dissolution chimique
3.3.2.2 Analyse morphologie des porosités par CT-scan
3.4 Microstructure et propriétés mécaniques
3.4.1 Analyse de la microstructure
3.4.1.1 Plaque poudrée PORCHER
3.4.1.2 Plaque comélé SCHAPPE
3.4.1.3 Écart dans l’estimation du taux de porosité par dissolution chimique et par CT-scan
3.4.1.4 Comparaison des deux typologies de plaques
3.4.2 Résultats des essais mécaniques
3.5 Influence du cycle de consolidation sur les porosités et les propriétés mécaniques
3.5.1 Influence du cycle de consolidation sur la santé matière du composite
3.5.1.1 Effet de la pression externe
3.5.1.2 Effet du niveau de vide
3.5.1.3 Effet du temps de consolidation
3.5.1.4 Stratégie dans la définition du cycle autoclave
3.5.2 Sensibilité des propriétés mécaniques au taux volumique de porosité dans le stratifié
3.5.3 Prise en compte de la morphologie des porosités dans l’évolution des performances mécaniques
3.6 Bilan intermédiaire
4 Faisabilité de mise en oeuvre de pièces composites à géométries complexes
4.1 Impact du cisaillement sur les propriétés mécaniques du matériau composite
4.1.1 Consolidation des plaques C/PPS avec déformation initiale en cisaillement plan
4.1.2 Effet du niveau de cisaillement plan sur les propriétés du matériau composite
4.1.2.1 Analyse microstructurale des plaques composites
4.1.2.2 Propriétés mécaniques des plaques composites
4.1.3 Confrontation avec une approche « théorie classique des stratifiés »
4.1.3.1 Détermination des propriétés élastiques du renfort textile
4.1.3.2 Détermination des propriétés élastiques du pli UD par méthode inverse
4.1.3.3 Modélisation du comportement mécaniques des plaques cisaillées
4.1.3.4 Prédiction de la rupture à partir du critère de Tsai-Hill
4.2 Application aux géométries complexes : consolidation de pièces à doublecourbures
4.2.1 Présentation des géométries
4.2.2 Mise en oeuvre des pièces composites par consolidation autoclave
4.2.3 Évaluation de la santé matière des pièces complexes consolidées
4.2.3.1 Pièce de faisabilité : parallélépipède à congés d’arête
4.2.3.2 Pièce d’étude de la déformation textile : le tétraèdre
4.3 Bilan intermédiaire
Conclusion générale et perspectives
Annexes
A ANNEXE CHAPITRE 2
B ANNEXE CHAPITRE 3
B.1 Mise en oeuvre par consolidation: précisions concernant les produits d’environnement utilisés
B.2 Détermination du taux volumique de porosité par dissolution chimique
C ANNEXE CHAPITRE 4
C.1 Plan de découpe des éprouvettes
C.2 Plan des outillages
Table des figures
Liste des tableaux
Glossaire
Bibliographie par auteur

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