Analyse des transferts de chaleur couplés à la saturation pendant l’imprégnation d’un renfort fibreux : application aux procédés LCM

Heat transfer analysis coupled to saturation during the impregnation of a fibrous preform : application to LCM processes

• Auteur / Autrice : Maxime Villière
• Direction : Didier Delaunay, Joël Bréard, Cathy Castelain, Michel Glotin, Vincent Sobotka, Nicolas Boyard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des procédés, Thermique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : École polytechnique universitaire de Nantes Université
• Jury : Président / Présidente : Véronique Michaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Delaunay, Joël Bréard, Cathy Castelain, Véronique Michaud, Jean-Christophe Batsale, Michel Glotin, Vincent Sobotka, Nicolas Boyard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Michaud, Jean-Christophe Batsale

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Composites

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Procédés LCM

Identification

Saturation

Résumé

Les industries du transport, en particulier les industries automobile et aéronautique, font face plus que jamais à une problématique d’économie d’énergie, qui passe nécessairement par un allègement des structures. Dans ce contexte, les matériaux composites semblent être des candidats idéaux, en raison de l’exceptionnel compromis masse/performance qu’ils présentent. Les procédés LCM (Liquid Composite Molding) et plus particulièrement RTM (Resin Transfer Molding) sont très utilisés pour produire des pièces structurelles complexes de hautes performances. La qualité des pièces ainsi produites dépend fortement de la phase d’imprégnation des renforts fibreux, durant laquelle l’écoulement de la résine induit la création d’une zone non-saturée, provoquant par conséquent la formation de porosités qui affectent les propriétés mécaniques. Les travaux présentés dans cette thèse s’attachent à détecter et à quantifier la saturation du renfort par le biais d’une analyse des transferts de chaleur. Dans un premier temps, le tenseur de conductivité thermique d’un matériau modèle a été caractérisé à l’aide d’un large panel de dispositifs expérimentaux. Une méthode d’homogénéisation a été mise en place afin de prédire les propriétés thermiques du composite en fonction de la nature des vides rencontrés. Par la suite, un banc expérimental doté d’une métrologie thermique adaptée est conçu, permettant l’imprégnation d’un renfort par un fluide modèle. L’identification de la saturation est rendue possible par un modèle simplifié d’écoulement. Enfin, une approche par modélisation diphasique est proposée, démontrant la faisabilité de l’identification des perméabilités relatives de chacune des phases par la thermique.

Transportation industries, especially aeronautics and automotive industries, are facing more than ever energy-saving issues, which imply weight reduction of structures. Within this context, composite materials appear to be appropriate candidates, due to their outstanding “strength to weight” ratio. Liquid Composite Molding (LCM) and particularly Resin Transfer Molding (RTM) are becoming increasingly important for a wide range of industrial applications involving complex structural parts. The quality of LCM products strongly depends on the impregnation of the fiber preform during the mold-filling stage. During this step, a partially saturated zone emerges in the flow, and induces consequently the formation of porosities, which drastically affect mechanical performances. This study presents an original approach in which heat transfers are used to quantify the saturation profile. In a first step, the effective thermal conductivity of a model composite material have been measured by several methods. A homogenization methodology based on asymptotic expansion has been performed at dual-scale in order to predict the thermal properties of the composite as a function of saturation. Several heat flux sensors and thermocouples were integrated in an experimental bench, which allows the injection of a model fluid into a textile preform. Finally, an alternative numerical approach is proposed by modeling a multi-phase flow, proving the feasibility of identifying the relative permeabilities of each phase through thermal analysis.