Modélisation du procédé de cuisson de composites infusés par chauffage infra rouge

Simulations of an infrared composite curing process

• Auteur / Autrice : Sawsane Nakouzi
• Direction : Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Chauffage par rayonnement infrarouge

Composites

Mots clés libres

Simulation numérique

Chauffage infrarouge

Résine époxy

Température

Polymérisation

Optimisation

Résumé

L'utilisation des matériaux composites dans les secteurs aéronautique et aérospatial a évolué au cours des dernières années. Ces matériaux à hautes performances présentent des propriétés mécaniques et physiques élevés. Une nouvelle méthode de mise en œuvre de ces matériaux qui pourrait amener un gain en temps et d'énergie est la polymérisation du composite à l'aide d'un four infrarouge. Cette technique de chauffage infrarouge peut s'appliquer en particulier au processus d'infusion de résine LRI (Liquid Resin Infusion) où la résine est infusée à pression atmosphérique dans un demi moule qui contient le renfort fibreux et ayant une surface de recouvrement semi-transparente aux rayons infrarouges. L'injection se fait à l'aide d'une pompe à vide et le composite est placé face aux émetteurs infrarouges. Ces émetteurs sont de type halogène et sont fournis par la société TOSHIBA LIGHTING. Le chauffage commence après injection totale de la résine et sa stabilisation dans le moule. Par conséquent, le composite est soumis à un flux radiatif incident, lequel est absorbé par le premier pli de carbone présent à sa surface. Ceci est due au fait que les fibres de carbone présentent une absorptivité assez élevée qu'on peut donc considérer le composite opaque vis-à-vis de l'infrarouge. Un modèle de calcul par éléments finis basé sur la méthode des radiosités a été développé afin de prédire le flux radiatif absorbé par le composite. Ce modèle a été validé par une solution référence basée sur les algorithmes de lancer de rayons. Ce flux radiatif absorbé est imposé comme condition aux limites dans le logiciel commercial COMSOLMULTIPHYSICS. Celui ci résout par la méthode des éléments finis l'équation de chaleur couplée avec la cinétique de réticulation de la résine afin de modéliser la polymérisation par infrarouge. La température et le degré de réticulation au sein du composite sont ainsi calculées. Un algorithme d'optimisation a été couplé avec le modèle radiatif afin d'obtenir une distribution de température optimale dans le composite. Ces données issues de l'optimisation en été utilisée dans le protocole expérimental. Ce montage expérimental permettant le chauffage infrarouge du composite instrumenté a été réalisé au laboratoire afin de valider les résultats numériques de l'étape de chauffage à l'aide de thermocouple et de la thermographie infrarouge pour le cas d'une plaque composite et le cas d'une pièce 3D.

Epoxy resins have several applications in the aerospace and automobile industry. Because of their good adhesive properties, superior mechanical, chemical and thermal properties, and resistance to fatigue and microcracking, they produce high performance composites. In the technology presented here, the composite is cured in an IR oven which includes halogen lamps. The liquid resin infusion (LRI) process is used to manufacture the composite, whereby liquid resin is infused through a fiber reinforcement previously laid up in a one-sided mold. These epoxy resins release an exothermic heat flux during the curing process, which can possibly cause an excessive temperature in the thickness. Consequently, for the production of high performance composites, it is necessary to know the thermal behavior of the composite during curing. In our work, we studied IR interactions with the composite, which is placed in an IR oven. Using an IR spectrometer Bruker Vertex 70 (1-27 µm), we measured radiative properties and determined the fraction of IR rays absorbed by the composite. Since it is necessary to optimize the manufacturing time and costs and to determine the performance of these composites, the purpose of this study is to model the IR curing of a composite part (carbon fiber reinforced epoxy matrix) in the infrared oven. The work consists in two parts. In the first part, a FE thermal model based on radiosity method was developed, for the prediction of the infrared incident heat flux on the top surface of the composite during the curing process. This model was validated using a reference solution based on ray tracing algorithms developed in Matlab(r) (In-lab software called Rayheat based on ray tracing algorithms is used to compute the radiative heat flux that impacts the composite). Through the FE thermal model, an optimization study on the percentage power of each infrared heater is performed in order to optimize the incident IR heat flux uniformity on the composite. This optimization is performed using the Matlab(r) optimization algorithms based on Sequential Quadratic Programming method. In a second part, the optimized parameters set is used in a three-dimensional numerical model which is developed in the finite element software, where the heat balance equation is coupled with the cure kinetic model of the resin. This numerical model allows calculation of the temperature distribution in the composite during curing, which is a key parameter that affects its mechanical properties. In this model, we can predict also the evolution of the degree of cure as function of time.