Préformage de pièces composites 3d par couture « one-sided » et renforcement par touffetage

Le marché actuel présente un grand intérêt pour les structures légères à des fins économiques, environnementales et commerciales. Cette affirmation est d’autant plus vraie dans les structures aéronautiques tant le poids d’un aéronef influence ses performances. La solution est initialement venue des alliages métalliques. Cependant les solutions composites à renforts fibreux sont de plus en plus présentes. Bien que de nombreux défis entravent encore l’utilisation à grande échelle des matériaux composites pour des structures majeures, les fabricants accordent une attention toute particulière à leurs caractéristiques remarquables. Le développement et la conception de telles structures ainsi que la mise en forme des matériaux composites à coût intéressant sont nécessaires à la compétitivité de ces nouveaux matériaux. L’un des principaux facteurs limitant de la mise en forme consiste au recours à des étapes manuelles qui limitent la reproductivité des pièces. De plus, les procédés de mise en œuvre restent en majorité fortement couteux. Les propriétés mécaniques interlaminaires et leur faible tolérance à l’endommagement ralentissent également leur utilisation pour des pièces structurales et à formes complexes. De nombreux procédés voient le jour afin de répondre aux faiblesses des matériaux composites et de les mettre en œuvre. Les procédés « Out ofautoclave » (OOA) sont notamment en forte expansion (Red, 2014).

Le projet CRIAQ COMP-501 (Préformes textiles 3D pour fabrication de pièces composites complexes) a vu le jour dans l’objectif de démontrer le potentiel du préformage de pièces composites 3D par des techniques de couture. Cet objectif doit être atteint par la fabrication d’un panneau raidi à l’aide de raidisseurs tel que couramment vus dans l’industrie aéronautique ainsi que par la caractérisation du procédé de fabrication. Le procédé de préformage retenu est la couture « One-Sided Stitching® » (OSS®). Cette technologie novatrice permet d’assembler des renforts fibreux secs selon des géométries complexes et ne requière l’accès qu’à un côté de la préforme. Cet avantage est notamment précieux dans le but de réaliser des structures de grandes dimensions avec précision. De plus, ce procédé est totalement automatisable éliminant ainsi les étapes manuelles qui limitent pour le moment l’utilisation des matériaux composites. Ce procédé répond à une problématique de mise en œuvre mais également de renforcement des propriétés interlaminaires des matériaux produits. Cependant les procédés de renforcement interlaminaires peuvent s’avérer néfastes aux propriétés intralaminaires. Le projet vise à s’assurer que la fabrication des préformes par couture OSS® est performante et à évaluer les effets sur les performances des matériaux composites.

Sélection de technologies de production 

Les panneaux tels que décrits précédemment sont connus comme présentant une faiblesse au niveau du joint entre le raidisseur et la peau tel que le mentionne Mahfuz et al. (2004). En général, les composantes sont fabriquées séparément puis assemblées par collage. Avec des matériaux préimprégnés, il est possible de réaliser la cuisson des éléments indépendamment puis de les lier dans l’autoclave : cette technique est appelée le « co-curing ». Les travaux de Hogg (2010) démontrent la présence d’une concentration de contraintes au niveau de la zone de transition entre le voile et la semelle.

Diverses solutions de renforcement de cette zone de concentration de contraintes ont vu le jour. L’ajout de rivets reste une solution envisageable pour les matériaux composites bien qu’elle nécessite des étapes de perçage et d’installation. De plus, le perçage à tendance à délaminer la préforme et le rivet crée une concentration de contraintes. De nombreux travaux mettent en avant des solutions textiles afin de préformer et/ou renforcer les panneaux. Dransfield et al. (1994) et Mouritz et al. (1999 et 2000) proposent des revues des solutions textiles de préformage et d’amélioration de la résistance au délaminage, notamment par couture. Han et al. (2003) propose un travail de renforcement par couture de panneaux raidis.

Préformage et renforcement des renforts fibreux secs 

Il existe de nombreuses méthodes plus ou moins conventionnelles et applicables au cas d’étude. Toutes ces méthodes n’interviennent pas au même moment dans le processus. Les trois premières méthodes : tissage, tricotage et tressage sont des techniques directes d’assemblage, c’est-à-dire que la préforme est directement formée à la forme finale. La couture et le touffetage sont des techniques indirectes, ces techniques préforment des étoffes généralement plates.

Tissage 

Le tissage est l’insertion de fils de trame perpendiculairement à des fils de chaîne. Les tissus obtenus sont classés en trois familles illustrées à la Figure 1.3. Depuis le début des années 90, le tissage développe également de plus en plus de solutions 3D diversifiées : tissus épais, tissus multicouches, formes prédéfinies en T, en I, en C, etc. Mouritz et al. (1999) et Tong et al. (2002) réalisent notamment une revue des possibilités 3D des tissages. La Figure 1.4 présente un métier à tisser 3D avec trois tissés issus de ce métier par Khokar (2014).

Tricotage
Le tricotage correspond à la création d’une étoffe par entrelacement de boucles formées par un ou plusieurs fils. Il existe deux familles de tricots : le tricot trame et le tricot chaîne. Le tricot trame aussi appelé tricot à mailles cueillies est constitué d’un fil formant des rangées de boucles qui s’insèrent dans la rangée précédente. Cependant en multipliant le nombre de fontures (organe du métier à tricoter tenant les aiguilles), il est possible de tricoter plusieurs rangées à la fois. Il est également possible de réaliser un tricot trame plus épais en insérant plusieurs rangées de boucles dans la même rangée. La seconde famille de tricots correspond à celle du tricot chaîne ou tricot à maille jetées dont l’insertion est réalisée par plusieurs fils dans le sens de tricot. Le fil se lie à la boucle voisine et remonte en colonne. Il est également de possible d’insérer plusieurs fils pour faire un tricot à couches multiples. Tong et al. (2002) a réalisé une revue complète des possibilités du tricotage dont un échantillonnage est visible en Figure 1.5. Les tricots sont généralement plus souples que les tissus mais sont également moins résistants aux sollicitations mécaniques.

Un dérivé de la technique du tricot chaîne, proche de la couture, permet de lier les non-crinp fabrics (NCF). Un NCF est un tissu sans embuvage. L’embuvage est la réduction des fils de chaîne dû à leur entrelacement avec les fils de trame. Pour éviter l’embuvage, un NCF se compose de multiples couches de fils unidirectionnels (UD) disposés les uns à côté des autres ainsi qu’éventuellement d’un mat de fibres. Ensuite ces couches sont liées les unes aux autres par des aiguilles formant un tricot chaîne le long de la structure. La Figure 1.6 présente un NCF selon le brevet de Healey et al. (2004).

Couture

En couture, on distingue principalement deux types de procédés : les classiques et les procédés qui ne nécessitent l’accès qu’a un côté de la préforme. Ces seconds sont appelés OSS® pour « One-Sided Stitching » ou couture aveugle.

Procédés de couture classiques 

La couture peut remplir deux fonctions pouvant être complémentaires. La première fonction est la fixation de divers éléments fibreux ou non-fibreux ensemble, tandis que la seconde est le renforcement de la structure. De nombreux points de couture permettent de compléter l’une et/ou l’autre de ces fonctions. La Figure 1.8 présente trois points de couture parmi les plus usuels. Dransfield et al. (1994) s’est notamment servi de ces trois points afin de caractériser la possible amélioration de matériaux cousus à la résistance à la délamination tout comme Kullerd et al. (1992).

D’autres procédés plus spécifiques existent afin de coudre deux matériaux bord-à-bord, d’assembler selon un point « zigzag » ou encore de réaliser des assemblages sans contrainte d’encombrement ou invisibles. Comme introduit précédemment, les NCF peuvent également faire partie des préformes cousues. L’appellation de couture tricot est dans ce cas utilisée. Enfin la broderie est une sous-section de la couture classique. Cette technique consiste à déposer localement un fil de manière à réaliser un schéma prédéfini, qu’il soit à but esthétique ou de fixation d’éléments. Le dépôt de fil est assisté par ordinateur dans ce cas. Cependant toutes ces méthodes nécessitent l’accès aux deux côtés de la préforme. Or les préformes dans l’industrie des matériaux composites peuvent être imposantes par leur taille. Afin de répondre à cette problématique, il est nécessaire d’utiliser des procédés moins encombrants.

Procédés de couture aveugle 

Les procédés de couture aveugle sont des techniques qui ne nécessitent l’accès qu’à une face de la préforme. Trois principes se distinguent : le premier utilise une aiguille courbe, le second se sert de deux aguilles tandis que le touffetage insère un fil de renfort dans la préforme sans créer de nœuds. Le procédé « Blindstitch » développé par KSL utilise une unique aiguille courbe qui pénètre la préforme et en ressort par la même face. Un crochet retient la dernière boucle afin d’y insérer la nouvelle boucle et former une chainette.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en situation
1.1.1 Sélection d’un design
1.1.2 Sélection de technologies de production
1.2 Préformage et renforcement des renforts fibreux secs
1.2.1 Tissage
1.2.2 Tricotage
1.2.3 Tressage
1.2.4 Couture
1.2.4.1 Procédés de couture classiques
1.2.4.2 Procédés de couture aveugle
1.2.5 Touffetage
1.2.6 Inventaire des autres procédés
1.3 Effets des paramètres de couture et de touffetage sur les préformes
1.3.1 Densité de couture
1.3.2 Patron de couture
1.3.3 Profondeur d’insertion
1.3.4 Angle d’insertion
1.4 Matériaux
1.4.1 Renfort fibreux
1.4.2 Fil de renfort
1.5 Imprégnation de résine
1.6 Défauts communs rencontrés lors de l’utilisation de renforts fibreux secs
1.6.1 Défauts communs engendrés par la manipulation du renfort fibreux
1.6.2 Défauts communs engendrés par l’insertion de fils de renfort
1.7 Caractérisation mécanique des préformes
1.7.1 Assemblage de préforme sandwich
1.7.2 Renforcement de raidisseur en T
1.7.3 Mode d’arrachement des touffes
1.7.4 Résistance à l’arrachement de raidisseur en T
1.7.5 Conclusion sur la mise en œuvre du touffetage
1.8 Projets antérieurs de panneaux assemblés et renforcés par couture
CHAPITRE 2 OBJECTIFS ET DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Le CRIAQ et le projet COMP-501
2.1.1 Présentation du CRIAQ
2.1.2 Objectif du projet COMP-501
2.1.3 Sélection de la géométrie à développer
2.1.4 Problématique et objectifs du mémoire
2.2 Sélection des procédés
2.2.1 Couture OSS® « 2Needle »
2.2.2 Touffetage
2.3 Sélection des matériaux et paramètres
2.3.1 Renfort fibreux
2.3.2 Fil de couture et de touffetage
2.3.3 Nouille
2.3.4 Matrice
2.3.5 Séquences d’empilement des renforts
2.4 Préparation des renforts
2.4.1 Découpe
2.4.2 Empilage
2.4.3 Assemblage du stratifié par couture
2.4.4 Préformage des stratifiés
2.4.5 Renforcement
2.5 Ajout de la matrice par VARI
2.5.1 Principe
2.5.2 Équipement et montage
2.5.3 Imprégnation de la préforme
2.5.4 Bénéfices et risques
2.6 Tests mécaniques
2.6.1 Préparation des spécimens pour essais
2.6.2 Test d’arrachement symétrique et asymétrique
2.6.3 Échantillonnage et procédure
CHAPITRE 3 PRODUCTION DE PRÉFORMES ASSEMBLÉES PAR COUTURE ET RENFORCÉES PAR TOUFFETAGE
3.1 Maitrise des outils
3.1.1 Robot
3.1.2 Nomenclature du renfort et paramètres de couture
3.1.3 Programmation
3.2 Conception d’outillage spécifique
3.2.1 Gabarit d’empilement de tissus
3.2.2 Gabarit de préformage
3.2.3 Pied presseur de touffetage « multi-angle »
3.2.4 Feuille de calcul de consommation de fil de couture
3.3 Production
3.3.1 Couture OSS® « 2Needle »
3.3.2 Touffetage
3.4 Caractérisation et inspection
3.4.1 Influence de la qualité de l’empilement sur la couture
3.4.2 Inspection visuelle des préformes sèches
3.4.3 Inspection des spécimens par microscope
CHAPITRE 4 ÉVALUATION DE L’EFFET DU TOUFFETAGE SUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES D’UN RAIDISSEUR EN « T »
4.1 Introduction au renforcement par touffetage
4.1.1 Choix de la configuration de couture
4.1.1.1 Tests
4.1.1.2 Résultats des tests d’arrachement
4.1.1.3 Conclusion des travaux sur la couture
4.1.2 Tests de touffetage dans la région de la nouille
4.1.2.1 Premier test
4.1.2.2 Résultats
4.1.2.3 Seconde série de test
4.1.2.4 Résultats
4.1.2.5 Conclusion
4.1.3 Choix des configurations à tester
4.2 Propriété à l’arrachement symétrique
4.2.1 Résultats et analyse
4.2.2 Analyse des modes de rupture
4.3 Propriété à l’arrachement asymétrique
4.3.1 Résultats et analyse
4.3.2 Analyse des modes de rupture
4.4 Conclusions et recommandations
4.4.1 Recommandations
4.4.2 Conclusions
CHAPITRE 5 ÉTUDE COMPARATIVE DES COUTS ENGENDRÉS PAR LE PRÉFORMAGE PAR COUTURE PAR RAPPORT AU PRÉFORMAGE À LA MAIN
5.1 Préformage d’un démonstrateur
5.1.1 Étapes de préformage
5.1.2 Gabarit de préformage
5.2 Étude des coûts
5.2.1 Coût d’équipement
5.2.2 Coût des matériaux
5.2.2.1 Coût des matières premières
5.2.2.2 Coût des matériaux de support
5.2.3 Coût de main-d’œuvre
5.2.3.1 Coût de main-d’œuvre direct
5.2.3.2 Coût de main-d’œuvre indirect
5.2.4 Coût en énergie
5.2.5 Coût d’ingénierie initial
5.3 Cas d’un raidisseur simple
5.3.1 Estimation du temps de préformage
5.3.2 Calcul des coûts
5.3.2.1 Coût d’équipement
5.3.2.2 Coût des matériaux
5.3.2.3 Coût de main-d’œuvre
5.3.2.4 Coût d’ingénierie initial
5.3.3 Conclusion
5.4 Cas d’un démonstrateur
5.4.1 Estimation du temps de préformage
5.4.2 Calcul des coûts
5.4.2.1 Coût d’équipement
5.4.2.2 Coût des matériaux
5.4.2.3 Coût de main-d’œuvre
5.4.2.4 Coût d’ingénierie initial
5.4.3 Conclusion
5.5 Extrapolation des coûts de préformage
5.5.1 Intérêts supplémentaires au préformage par couture
5.5.2 Recommandations et Corrections
5.5.3 Extrapolation
CONCLUSION

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