Etude du couplage procédé/propriétés d’un matériau à fibres discontinues de carbone et à matrice époxy mis en oeuvre par un procédé innovant d’injection/transfert

Study of process-properties coupling of a discontinuous carbon fibers / epoxy matrix material manufacturing using a innovative injection-transfer process

• Auteur / Autrice : Thomas Poumadère
• Direction : Gérard Bernhart, Frédéric Lachaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, Frédéric Lachaud, Christophe Binétruy, Fodil Meraghni, Michel Danis, Florentin Berthet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Binétruy, Fodil Meraghni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Composites à fibres

Mots clés libres

Composites à fibres discontinues

Mécanique

Optimisation

Procédé

Discontinuous fibers composites

Mechanics

Optimization

Manufacturing process

Résumé

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'aéronautique où leurs hautes performances mécaniques combinées à leur légèreté leur permettent de concurrencer les matériaux métalliques. Cependant il est aujourd'hui difficile de fabriquer en série des pièces structurales ayant des formes tridimensionnelles complexes,Si les procédés d'injection de thermoplastiques chargés de fibres courtes (100 à 1 mm) sont bien connus, les études sur l'injection des thermodurcissables à fibres longues sont rares en raison de la difficulté à les faire s'écouler sur plusieurs dizaines de millimètres pour remplir complètement les moules.La société Equip'Aéro Technique a initié des travaux portant sur le développement d'un nouveau procédé de fabrication par injection-transfert (PIMOC) de composites thermodurcissables à fibres longues (> 1 mm) discontinues. Il permet de réaliser en une seule étape des pièces aux formes tridimensionnelles sans usinage.Dans ce travail de thèse le procédé d'injection-transfert a été mis au point et fiabilisé. Ses paramètres principaux ont été identifiés. L'influence des paramètres de fabrication sur les propriétés du matériau a été établie. Les propriétés mécaniques ont ainsi pu être optimisées. Enfin, un modèle de comportement élastique endommageable avec rupture et basé sur une approche multi-critères a été développé dans le but d'initier une méthodologie de dimensionnement de pièces composites à fibres discontinues. Ces critères d'endommagement et de rupture ont été développés en accord avec les observations du comportement mécanique du matériau. L'ensemble des résultats expérimentaux et numériques a été appliqué à la fabrication et au dimensionnement d'un démonstrateur technologique.

Composite materials are widely used in aeronautics. Their high mechanical properties combined to their lightness make it possible for thern to compete With metallic materials. However mass production of complex 3D shape composite structural parts is not usual.Injection process of short fibers (100um à 1 mm) filted thermoplastics is well known. Nevertheless there are few studies about long fibers (>1 mm) filled thermosets. It is very difficult to make the material flow into a closed mold.Equip iAéro Technique carried out research on the deve(opment of a new injection-transfer process (called PIMOC) to manufacture long discontinuous fibers filled thermoset composites. This process makes it possible to produce one shot complex 3D shape parts without machining.ln this work, the injection-transfer process has been developed and is now reliable. Its main parameters have been identified. The influence of manufacuring parameters on material properties have been determined, Thus mechanical properties have been optimizecl. Finally an elastic damage model has been devetoped in order to introduce a methodology or sizing discontinuous fibers composite parts. The model includes failure and is based on a multi-criteria approach. Theses damage and failure criteria have been deveioped according to observations of material mechanical behavior. Experimental and numerical results have been applied for sizing and manufacturing a technical demonstrator.