Une approche expérimentale par le couplage des procédés de fabrication des composites à matrice thermoplastique

Towards an experimental euristic for the coupling of thermoplastic composites manufacturing processes

• Auteur / Autrice : Camille Vernejoux
• Direction : Xavier Fischer, Emmanuel Duc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 22/03/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques) - Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Nassiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Fischer, Emmanuel Duc, Valérie Nassiet, Christophe Binetruy, Anaïs Barasinski, Christophe Binétruy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Binetruy, Anaïs Barasinski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raccords (technologie)

Composites thermoplastiques

Procédés de fabrication

Mots clés libres

Procédés de fabrication

Composite thermoplastique

Approche expérimentale

Couplage

Manufacturing

Thermoplastic composites

Experimental euristic

Coupling

Résumé

L’évolution technologique, scientifique et environnementale demande à la grande famille de l’industrie une innovation toujours plus compétitive. La phase de montée en compétence par le développement de procédés de fabrication avancés pour accroître la production en automatisant une mise en œuvre manuelle est effective. La règle d’or est alors légèreté et résistance. Cependant, nous entrons dans une nouvelle étape d’innovation alliant à ces caractéristiques des enjeux plus complexes d’économie et d’environnement. Ces objectifs se traduisent notamment par l’optimisation des temps de fabrication et la réduction des déchets de production. Ils s’inscrivent dans l’approfondissement des compétences associées à la fabrication avancée.L’utilisation de matériau haute performance couplée à des procédés de fabrication avancés est déjà démocratisée. Cependant, des améliorations sont encore possibles notamment dans les connaissances sur la relation qu’entretient un matériau sur son procédé et inversement. Les matériaux étant de plus en plus techniques et performants, le renforcement des connaissances sur leur mise en œuvre est nécessaire.Plusieurs procédés de mise en forme des matériaux composites à matrice thermoplastique sont largement utilisés pour la fabrication de pièces structurelles principalement. Cependant, ces procédés sont majoritairement utilisés de manière indépendante. Ainsi, l’utilisation conjointe de procédés de fabrication avancés est une amélioration possible dans l’optimisation des temps de production et la réduction des déchets. Le couplage des procédés de fabrication doit alors être expérimenté pour offrir une plus grande liberté de fabrication.Les travaux de recherche s’inscrivent dans un couplage de deux procédés de fabrication des composites à matrice thermoplastique pour la réalisation d’un produit spécifique : le placement de fibre pour la réalisation d’une préforme de type plaque et l’estampage sous presse pour la consolidation en un produit de forme. Le placement de fibres robotisé (PFR) est l’application automatique de rubans de fibres pré-imprégnées ou sèches sur des surfaces planes ou courbes à l’aide d’une cellule robotisée. L’enchaînement des deux procédés permet d’obtenir des pièces de forme complexe, optimisées, pour une prise en compte de l’aspect économique de l’étude. La qualité géométrique, le comportement mécanique, et la composition micro-structurelle du produit final sont tributaires à la fois de la performance de chaque procédé mais aussi de la cohérence entre les deux. Ainsi, la recherche des paramètres de chaque procédé doit être réalisée conjointement et non indépendamment pour assurer une optimisation du processus complet.L’estampage est utilisé comme technologie de fabrication rapide pour façonner des produits de forme complexe. Cependant, les plaques à estamper proviennent généralement des processus de consolidation en autoclave ou encore par placement de fibres robotisé à faible vitesse (< 0.1 m/s) appelé aussi OOA (Out Of Autoclave) ou consolidation in-situ. Or, la technologie de placement de fibres robotisé ayant évolué pour atteindre des vitesses de drapage de l’ordre de 1 m/s, il est maintenant envisageable d’optimiser le cycle de production en augmentant les vitesses de dépose. C’est pourquoi, l’optimisation de la combinaison du placement de fibres automatisé et de l’estampage est utile pour la réalisation d’un processus sans consolidation complète des semi-produits de placement de fibres, afin de réduire le temps de fabrication et d’améliorer les propriétés du matériau.L’objectif est de créer un semi-produit par placement de fibres robotisé rapide et de fournir les caractéristiques mécaniques par estampage. L’optimisation expérimentale des paramètres de l’ensemble du processus de fabrication est donc primordiale pour évaluer l’impact des procédés sur les propriétés du matériau.

Technological, scientific and environmental developments require the industry's large family to be ever more competitive. The phase of increasing competence through the development of advanced manufacturing processes to increase production by automating manual implementation is effective. The golden rule is then lightness and resistance. However, we are entering a new stage of innovation combining these characteristics with more complex economic and environmental issues. These objectives are reflected in the optimization of manufacturing times and the reduction of production waste. They are part of the development of skills associated with advanced manufacturing.The use of high-performance materials coupled with advanced manufacturing processes is already widespread. However, there is still room for improvement, particularly in terms of knowledge of the relationship between a material and its process and vice versa. As materials are more and more technical and performing, the reinforcement of knowledge on their implementation is necessary.Several processes of forming thermoplastic matrix composites are widely used for the manufacture of structural parts mainly. However, these processes are mostly used independently. Thus, the joint use of advanced manufacturing processes is a possible improvement in the optimization of production time and waste reduction. The coupling of manufacturing processes must be experimented to offer a greater freedom of manufacturing.The research work is part of a coupling of two manufacturing processes of thermoplastic matrix composites for the realization of a specific product: fiber placement for the realization of a plate-like preform and press stamping for the consolidation into a shaped product. Robotic fiber placement (RFP) is the automatic application of pre-impregnated or dry fiber ribbons to flat or curved surfaces using a robotic cell. The combination of the two processes allows to obtain parts with complex shapes, optimized for the economic aspect of the study. The geometrical quality, the mechanical behavior, and the micro-structural composition of the final product depend on the performance of each process but also on the coherence between the two. Thus, the research of the parameters of each process must be carried out jointly and not independently to ensure an optimization of the complete process.Stamping is used as a rapid manufacturing technology to shape complex shaped products. However, the plates to be stamped are usually produced by autoclave consolidation processes or by low speed (< 0.1 m/s) robotic fiber placement, also called OOA (Out Of Autoclave) or in-situ consolidation. However, the technology of robotized fiber placement having evolved to reach draping speeds of about 1000 m/s, it is now possible to optimize the production cycle by increasing the lay-up speeds. Therefore, optimizing the combination of automated fiber placement and stamping is useful for achieving a process without complete consolidation to reduce manufacturing time and improve material properties.The objective is to create a semi-finished product by fast robotic fiber placement and to provide the mechanical characteristics by stamping. Experimental optimization of the parameters of the entire manufacturing process is, therefore, parameter to evaluate the impact of the processes on the material properties.