Préformage et renforcement des renforts fibreux secs

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.

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.

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 . 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.

Tressage

Le tressage est un entrelacement de trois ou plusieurs fils selon une séquence prédéfinie. Cette technique s’avère particulièrement intéressante pour la production de préformes tubulaires ou pleines. Une tresse est généralement fortement malléable, résistante au cisaillement et tolérante aux chocs.

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. 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.

Le second principe se sert de deux aiguilles plus ou moins inclinées afin qu’elles puissent se croiser. Deux technologies concurrentes s’affrontent, KSL a développé la sienne avec deux aiguilles, une inclinée et la seconde verticale, s’échangeant un unique fil.

Touffetage

À l’origine, le touffetage, tufting en anglais, était une technique textile permettant de confectionner des tapis et vêtements chauds. Ensuite, la technologie a été adaptée et développée afin de devenir une technologie d’assemblage et de renforcement transversal pour des matériaux composites à matrice polymère et renfort fibreux. Le touffetage est aussi appelé piquage. Le touffetage est l’insertion totale ou partielle d’un fil dans le sens orthogonal à la surface de la préforme que l’on souhaite renforcer. Une aiguille unique pénètre la préforme selon un angle prédéfini afin d’insérer le fil.

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
CONCLUSION

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