Élaboration de pièces composites complexes par consolidation autoclave à partir de préformes textiles thermoplastiques renforcées fibres de carbone

Complex composite parts manufacturing by autoclave consolidation with carbon fiber reinforced thermoplastic textile preforms

• Auteur / Autrice : Julien Patou
• Direction : Gérard Bernhart, Emmanuel De Luycker
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Éric Lacoste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, Emmanuel De Luycker, Damien Soulat, Benoit Vieille, Rébecca Bonnaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Soulat, Benoit Vieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Préimprégnés

Textiles et tissus -- Recherche

Corrélation d'images numériques

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Composites thermoplastiques

Déformation textile

Consolidation autoclave

Imprégnation

Corrélation d'images

Pré-Imprégnés

Thermoplastic composites

Textile strain

Autoclave consolidation

Impregnation

Digital image correlation

Prepreg

Résumé

L’introduction des matériaux composites à matrices thermoplastiques est étudiée depuis quelques années par les avionneurs. Les procédés actuellement investigués, soit par placement de mèches pré-imprégnées, soit par thermo-estampage de plaques préconsolidées, sont toutefois mal adaptés pour des pièces de forme complexe telles que des capotages, des volutes ou des entrées d’air. Pour s’affranchir de cette limitation, cette thèse vise à étudier une voie d’élaboration basée sur la mise en forme de textiles qui intègre par voie comélage/cotissage les renforts de carbone et les fils de thermoplastique. Le tout est suivi d’une consolidation en autoclave. Le projet de recherche comprend deux parties distinctes et complémentaires. La première partie est dédiée à l’étude de la mise en forme textile avant consolidation. La déformabilité en cisaillement des préformes textiles comélés a été caractérisée sur la base d’un essai « Bias Extension Test » instrumenté avec un dispositif optique pour mesurer les champs de déformation par corrélation d’images (2D-DIC). La mise en forme de la préforme textile sur des éprouvettes technologiques possédant une géométrie complexe de type double courbure a été effectuée à partir d’un pilote d’emboutissage. Une instrumentation optique a permis d’évaluer les champs de déformation en cisaillement (3D-DIC). La deuxième partie est consacrée à l’étude et à l’optimisation des conditions de consolidation en autoclave, des cycles de consolidation et l’étude de leur influence sur les performances mécaniques et la santé matière du matériau. Les relations matériau/procédé sont établies à partir de deux semi-produits FC/PPS : le Pipreg ® poudré de Porcher et le TPLF ® comélé avec fibres craquées de Schappe Techniques. Les résultats de ces deux thématiques ont permis la mise en oeuvre de pièces de faisabilité à double courbure aux propriétés microstructurales compatibles aux exigences aéronautiques pour des structures semi-structurelles. Une optimisation de la mesure de champ par stéréo- corrélation d’images et la prise en compte du comportement en tension et en flexion du renfort permettraient d’améliorer l’analyse des champs de déformation lors des essais de drapage. L’amélioration du cycle de consolidation et une sélection de produits d’environnement plus performants sont également des thématiques à explorer.

Thermoplastic resin composites have been studied for some years by aircraft manufacturer. Current processes studied concerning either prepreg bundle positioning or thermo-stamping of pre-consolidated laminates are not adapted for complex shape as air inlets. To overcome this limitation, this thesis investigates a method based on the manufacturing of fabrics made in commingled/co-woven yarns of carbon and thermoplastic fibres. Then fabrics are consolidated in autoclave. This research project has been divided into two distinct parts. The first part concerns textile shaping study before consolidation. Shear strains of textile preforms have been caracterized by « Bias Extension Test » instrumented with optical device to measure strain field by digital image correlation (2D-DIC ). Textile preform shaping on a double curvature technology test specimen was performed with stamping device. It was also intrumented by cameras to assess shear strain field (3D-DIC). The second part is focused on the study and the optimization of autoclave consolidation conditions and process parameters for thermoplastic composite part manufacturing. Process impacts on composite mechanical properties and microstructure are also studied. Material/process interactions assessment was performed with two CF/PPS semi-pregs : Pipreg ® powdered impregnated fabric from Porcher and TPLF ® commingled fabric with stretch-broken carbon fibers from Schappe Techniques. Results from these two research topics allow to manufacture double curvature composite parts with microstructural properties in accordance with aviation requirements for semi-structural parts. The optimisation of field measurements by 3D-DIC and the semi-preg characterisation in tensile and bending should be developed to improve strain field analysis during fabric shaping. Manufacturing process optimisation by the selection of more efficient materials used for vacumm bagging should also be investigated.