Étude expérimentale et modélisation du procédé de placement de fibres avec chauffe laser

Experimental and simulative study of automated fiber placement process with laser heating

• Auteur / Autrice : Guillaume Dolo
• Direction : Gilles Ausias, Julien Férec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 01/03/2017
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Élisabeth Lemaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Joyot, Yves Grohens, Laurent Warnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Binétruy, Emmanuelle Vidal-Sallé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites thermoplastiques

Diodes laser

Mots clés libres

Procédé de placement de fibres

Lasers à diodes

Drapage automatisé

Automated Fiber Placement

Diode lasers

Automated lay-up

Résumé

L’intérêt croissant de l’industrie aéronautique pour les matériaux composites favorise le développement de procédés de mise en œuvre rapides et automatisés. Technologie approuvée pour la réalisation de stratifiés à matrice thermodurcissable, les cellules de placement de fibres de la société Coriolis Composites permettent la fabrication de pièces stratifiées aux formes et dimensions variées. Ne nécessitant pas de polymérisation longue et onéreuse en autoclave tout en répondant aux nouvelles règlementations environnementales et aux besoins thermomécaniques spécifiques, les composites thermoplastiques sont une issue aux nouveaux enjeux du monde du transport. Le procédé s’appuie sur la technologie des lasers à diodes générant les densités de puissance nécessaires à la fusion des matrices thermoplastiques. Les travaux présentés s’inscrivent à la croisée de ces trois technologies en fort devenir : procédé de placement de fibres, matrice thermoplastique et laser à diodes. Ils sont menés dans le cadre du projet IMPALA (Innovation Matériaux et Procédés avec plAcement de fibres LAser) labellisé FUI 11, et, ont pour objectif de modéliser le procédé par l’expérimentation et la simulation. Le matériau composite étudié dans le cadre de cette thèse est l’APC-2/AS4 de la société Cytec Engineering Materials, pré-imprégné constitué de fibres de carbone et d’une matrice thermoplastique PEEK. Trois modèles numériques sont développés : (i) une modélisation optique fondée sur un algorithme de lancer de rayons permettant de déterminer la distribution du rayonnement laser sur la matière, (ii) une modélisation thermique renvoyant les champs de température au sein du stratifié en cours de drapage et (iii) une modélisation rhéologique afin d’étudier la déformation de la matière et la qualité du soudage des différents plis. Le développement de ces modèles s’appuie sur une caractérisation du procédé notamment du faisceau laser permettant la chauffe synchrone des fibres acheminées et des plis précédemment déposés et du module de compactage constitué d’un rouleau souple épousant la surface de drapage. Des données matériaux telles que les indices de réfractions, l’émissivité ou la viscosité sont également déterminées par voie expérimentale ou homogénéisation. En parallèle, des campagnes de mesures par thermocouples et radiométrie sont réalisées pour mieux comprendre les phénomènes thermiques dans la zone de chauffe et au sein du stratifié. Les confrontations entre ces mesures et les prédictions numériques renvoyant de bonnes corrélations, le modèle optico- thermique peut alors être exploité afin d’établir l’influence de différents paramètres sur le procédé et de proposer de solutions d’asservissement entre la puissance du laser et la vitesse de drapage. Enfin, une étude par spectroscopie infrarouge permet d’étendre une cinétique de dégradation du matériau au cas transitoire adapté au procédé de placement de fibres.

Aeronautic industry demonstrates a growing interest in composite materials and development of quick and automated manufacturing processes. Automated Fiber Placement (AFP) process is a certified technology to achieve laminate structure with thermoset composites. Coriolis Composites Company develops robotic cells for fiber placement enabling the laying of continuous fibers in all directions and on complex geometrical surfaces. Thermoplastic (TP) matrix composites are currently a promising alternative for making structures for transport applications. They do not actually require long and expensive curing step in autoclave and would meet the sustainable requirements and expect thermo-mechanical behavior. AFP process bases on high power diode lasers required to melt the TP polymers. The presented work is located at the crossroads of three technologies with a bright future: AFP process, TP matrix composite and diode lasers. It have been carried out within the framework of the IMPALA project with the aim of modeling process by experiments and numerical simulations. APC-2/AS4 from Cytec Engineering Materials is the composite material of the study. It consists of a pre-impregnated composite with carbon fibers and TP PEEK matrix. Three models developed in this study are: (1) an optical model based on a raytracing algorithm to quantify the laser distribution on materials, (2) a thermal model to calculate the thermal field in laminate structure during layup, and (3) a rheological model in order to study the squeezing and bonding of plies. These models base on a characterization of the process, including the laser beam (that heats both fed tows and previous layed plies) and the compaction system (formed by a deformable roller that molds the lay-up surface). Material data like refractive index, emissivity or viscosity are determined by experiments or homogenization method. Experimental measurements are simultaneously realized with thermocouples and infrared cameras to understand thermal phenomena in heating zone and laminate. These measures correlate well with numeric predictions. The optical-thermal model is used to study the influence of process parameters and suggest loops between laser power and lay-up velocity. A FTIR spectroscopic study have finally improved in transient condition for thermal degradation.