Process-induced microstructure in industrial SMC compression : quantitative descriptive analysis and predictability of a state-of-the-art numerical model

par Laura Oter Carbonell

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces.

Sous la direction de Christophe Binétruy.

Le président du jury était Julien Férec.

Le jury était composé de Christophe Binétruy, Julien Férec, Pierre Dumont, Chung Hae Park, Suresh G. Advani, Patrice Laure, Luisa Alexandra Rocha da Silva, Benedikt Eck.

Les rapporteurs étaient Pierre Dumont, Chung Hae Park.

  • Titre traduit

    Analyse descriptive quantitative et modélisation numérique de la microstructure de composite SMC moule par un procédé de compression industriel


  • Résumé

    Le moulage par compression du SMC est une technologie de mise en oeuvre des polymères réactifs renforcés de fibres coupées pour fabriquer une pièce en matériau composite. Le matériau SMC déposé et chauffé dans un moule métallique monté sous presse est mis en mouvement par la compression qu’il subit. Le matériau s’écoule dans la cavité et polymérise pour obtenir la forme finale. L'état final d'orientation des fibres joue un rôle important dans les performances mécaniques de la pièce SMC. L'adaptation de la forme, de la position de la charge SMC dans le moule, ainsi que de la microstructure du matériau dans la pièce finale permet d'optimiser à la fois les propriétés structurelles de la pièce et le procédé de fabrication. Un besoin majeur est de comprendre comment l’écoulement du matériau impacte les caractéristiques mécaniques des pièces moulées. Dans cette thèse, un modèle numérique 2.5D non isotherme qui inclut les dernières contributions théoriques de la modélisation des écoulements de suspensions a été développé. Les prédictions des modèles sont comparées aux observations expérimentales et aux propriétés mécaniques sur des échantillons à l'échelle du laboratoire, mais aussi sur des pièces SMC produites à l'échelle industrielle. Il est démontré que les modèles théoriques actuels ne peuvent pas saisir certains mécanismes identifiés dans la compression SMC à l'échelle industrielle. Parmi eux, le comportement asymétrique du matériau ainsi que sa très forte transformation au cours de l’écoulement sont mis en évidence et discutés.


  • Résumé

    Compression moulding of SMC is a processing technology for reactive polymers reinforced with chopped fibres in a composite material. It involves both the flow and deformation of the raw material to transform it into its final shape, thanks of heat and pressure applied to a matched metal moulds mounted under press. The final fibre orientation state plays an important role in the mechanical performance of the SMC part. Adapting the shape and position of SMC charge in the mould, as well the material microstructure in the final part leads to an optimization of both structural properties of the part and manufacturing process. A major need is to understand how the flow affects the structural characteristics of moulded parts. In this thesis a 2.5D non-isothermal numerical model that includes the latest theoretical contributions to the squeeze flow modeling has been developed. Model predictions are compared with physical observations and mechanical properties on lab-scale specimens but also on industrial-scale SMC parts. It is shown that the current theoretical models cannot captured some mechanisms revealed by the industrial-scale SMC compression. Among them, the asymmetric behaviour of the material as well as its strong transformation during the flow, are highlighted and discussed.


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