Modélisation du soudage en continu de composites à matrice thermoplastique

Continuous welding modeling of thermoplastic matrix composites

• Auteur / Autrice : Célia Nicodeau
• Direction : Jacques Verdu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage

Composites thermoplastiques

Résumé

Nos travaux se sont intéressés au soudage de matériaux composites à matrice thermoplastique avec une application au procédé de consolidation en continu '' Drapcocot '' développé dans l'industrie aéronautique. L'objectif est de comprendre les mécanismes physico-chimiques qui interviennent lors de la consolidation du matériau APC-2 (fibres de carbone/PEEK) afin de pouvoir modéliser puis optimiser le procédé. L'originalité de l'étude a été de développer une modélisation thermique du procédé à l'échelle de la pièce composite et de mener simultanément une étude approfondie des phénomènes à l'échelle macromoléculaire. La modélisation thermique du procédé en 2D permet de simuler la consolidation d'un pli quels que soient les paramètres du procédé. Le modèle prend en compte les échanges de chaleur par conduction et par convection ainsi que les phénomènes de fusion et de cristallisation du matériau pour lesquels les cinétiques ont été identifiées par des essais d'analyse enthalpique différentielle. En ce qui concerne la dynamique des chaînes macromoléculaires, le temps de reptation, relatif à la diffusion du PEEK au niveau de l'interface, a été approché grâce à des essais rhéologiques. Quand à la dégradation thermique du PEEK, nous avons montré que le mécanisme de dégradation prépondérant est la réticulation du polymère. En couplant ces différentes approches, nous sommes désormais capables de prédire l'efficacité de la consolidation en fonction des paramètres du procédé. Dans le diagramme Vitesse de dépose-Température des torches du procédé, les limites imposées par les différents phénomènes physiques antagonistes sont données par des courbes ''iso-diffusion'' et ''iso-dégradation''. Ces simulations ont été confrontées aux expériences en terme de tenue mécanique de l'interface soudée. Cette cartographie Temps-Température du soudage en continu nous a permis d'expliquer dans quelle voie l'amélioration du procédé doit se faire pour que la consolidation soit optimale.

The automated two placement process developed in the aircraft industry is an emerging technique for manufacturing continuous fiber-reinforced thermoplastic parts. Our objective is to understand the physical mechanisms taking place in the APC-2 (carbon/PEEK) welding phenomenon in order to model and improve the process. The originality of the study was to develop a process thermal model at a macroscopic scale and simultaneously to deeply study phenomenon at a macromolecular scale. The 2D thermal model enables to simulate the ply consolidation whatever the process parameters. It takes into account heat transfers via conduction and convection plus melting and crystallisation phenomena whose kinetics were determined experimentally. Concerning macromolecular chains dynamics, reptation time relative to chain diffusion at the interface was approached by rheological tests. It has been shown that PEEK thermal degradation mechanism is mainly crosslinking ; the crosslinking kinetics has been followed by ageing rheological tests. The coupling of these studies enables to predict the consolidation efficiency and to determine a good welding zone in the Time–Temperature process window. These simulations are compared to mechanical tests relative to the welded interface. Hence, we defined limits imposed by antagonist physical phenomena for this in-situ consolidation and understood how to ameliorate the process for a better welding.