Soudage par ultrasons de composites thermoplastiques à matrice PAEK

Ultrasonic welding of PAEK thermoplastic composites

• Auteur / Autrice : Margot Bonmatin
• Direction : Thierry Cutard, France Chabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 12/04/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Restagno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Cutard, France Chabert, Frédéric Restagno, Steven Le Corre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Irene Fernandez Villegas, Gilles Régnier

Mots clés

Mots clés libres

Soudage par ultrasons

PAEK

Composite

Thermoplastique

Aéronautique

Ultrasonic welding

PAEK

Composite

Thermoplastic

Aerospace

Résumé

Les dernières avancées sur l’application des pièces composites à matrice PAEK ont mis en avant des problématiques d’assemblages. Le soudage par ultrasons représente un enjeu prometteur pour l’utilisation à grande échelle de telles pièces. En effet, il s’agit d’un procédé très rapide et facile d’utilisation. Au cours de l’élaboration des éprouvettes de soudage, un film polymère a été intégré à la surface des composites à matrice PEEK et AE 250. Ce film est appelé directeur d’énergie et est nécessaire pour optimiser l’assemblage. Différents directeurs d’énergie ont été utilisés pour le soudage, tels que le PEEK, le PEI et l’AE 250. Des analyses rhéologiques et de cristallisation ont été réalisées pour caractériser le comportement de la nouvelle matrice Victrex PAEK AE 250. Dans le cas du soudage bi-matériau, une analyse rhéologique de mélanges PEEK/PEI a été réalisée, donnant des informations sur le comportement thermo-mécanique pendant le soudage. En complément, une procédure non-intrusive d’intégration de thermocouples a donné lieu à des mesures de profils de températures à l’interface pour différentes conditions de soudage. Ces données ont permis de développer un modèle par élément finis pour étudier la diffusion thermique dans l’épaisseur des éprouvettes. Enfin des essais mécaniques de cisaillement simple recouvrement ont permis d’évaluer l’influence de différentes conditions de soudage sur la qualité de la soudure. L’analyse des faciès de rupture a permis une compréhension plus approfondie des phénomènes physiques se déroulant pendant le soudage. Enfin, une étude paramétrique du soudage de composites à matrice AE 250 a été réalisée et comparée avec les résultats obtenus pour du soudage de composites à matrice PEEK.

The latest advancements in PAEK matrix composite parts have brought to light assembly issues. Ultrasonic welding represents a promising issue for the largescale use of such parts. Indeed, the process is fast and easy to use. During their development, a polymer film was integrated on the surface of PEEK and AE 250 matrix composites. This film is called an energy director and is necessary for optimizing the assembly. Different energy directors have been used for welding, such as PEEK, PEI and AE 250. Crystallization and rheological analysis have been carried out to characterize the behavior of the new Victrex PAEK AE 250 matrix. In the case of bi-material welding, rheological analysis of PEEK/PEI mixtures has been conducted, giving information about the thermomechanical behaviors during welding. Moreover, a non-intrusive procedure of thermocouple integration allowed measurements of temperature profiles at the interface for different welding conditions. These data were used to develop a finite element model that gives information about the thermal diffusion in the specimen thickness. Finally, single lap shear tests were used to evaluate the influence of different welding conditions on the quality of the weld. The analysis of fracture surfaces allowed a deeper understanding of the physical phenomena occurring during welding. Finally, a parametric study of AE 250 composites welding was compared with the results obtained for PEEK composites joints.