Soudage par transmission laser de composites thermplastiques renforcés de fibres naturelles

Laser transmission welding of natural fibre reinforced thermoplastic composites

• Auteur / Autrice : Rowshni Jabeen
• Direction : Chung Hae Park, Benoît Cosson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre for Materials and Processes / CERI MP - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Patrice Laure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Chateau Akué Asseko, Frederik Desplentere
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : France Chabert, Luisa Alexandra Rocha da Silva

Mots clés

Mots clés libres

Soudage par transmission laser

Matériaux composites

Ray tracing

Interdiffusion moléculaire

Laser transmission welding

Natural fibre reinforced composites

Ray tracing

Molecular interdiffusion

Résumé

Le soudage par transmission laser des thermoplastiques nécessite l’optimisation de l’adhérence interfaciale au niveau du joint de soudure. A cet égard, la modélisation du procédé et le développement d'outils de simulation numériques sont indispensables pour optimiser la résistance mécanique du joint de soudure. La tâche est plus difficile dans le cas de matériaux composites très hétérogènes et anisotropes. De plus, la transmission laser est encore difficile dans le cas de milieux opaques ou semi-transparents tels que les composites thermoplastiques renforcés de fibres naturelles. Les propriétés thermiques et optiques des composites dépendent des propriétés et de la morphologie des constituants tels que les fibres et le polymère, qui peuvent affecter le spectre de transmission dans le domaine infrarouge. L’absorption et la réfraction de la propagation du rayon laser dans les matériaux composites conduisent à une réduction de l’énergie transmise arrivant à l’interface da soudure, ce qui influence directement la qualité de la soudure et ses performances mécaniques.Dans cette thèse, l'effet des phénomènes d'absorption et de diffusion sur le développement du champ de température à l'interface de la soudure est analysé numériquement et expérimentalement. Compte tenu de l’orientation, de la forme, de la longueur et de la fraction volumique des fibres, des géométries numériques 3D représentant les matériaux composites sont générées pour simuler la propagation des rayons laser avec l'algorithme "Ray tracing". Des modèles numériques pour estimer la résistance de la soudure sont présentés tout en tenant compte de l'influence des paramètres de soudage (tels que la puissance du laser, la vitesse d’alimentation et la position du foyer), les propriétés du matériau et l'interdiffusion moléculaire à l'interface de la soudure. La résistance de la soudure est mesurée par des essais mécaniques et leurs résultats sont comparés aux résultats de la modélisation numérique.

Laser transmission welding of thermoplastics requires the optimisation of interfacial adhesion at the weld joint. In this regard, the process modelling, and the development of numerical simulation tools are indispensable to optimize the mechanical strength of the weld joint. The task is more difficult in the case of highly heterogeneous and anisotropic composite materials. Moreover, the laser transmission is still difficult in the case of opaque or semi-transparent media such as natural fibre reinforced thermoplastic composites. The thermal and optical properties of composites depend on the properties and morphology of the constituents such as fibres and polymer, which can affect the transmission spectrum in the infrared range. The absorption and refraction of laser ray propagation in the composite materials lead to a reduction of the transmitted energy arriving at the weld interface, which directly influences the quality of the weld and its mechanical performance. In this dissertation, the effect of absorption and diffusion phenomena on the development of temperature field at the weld interface is analysed numerically and experimentally. Considering the fibre orientation, shape, length and volume fraction, numerical 3D geometries representing composite materials are generated to simulate the propagation of laser rays with “Ray tracing” algorithm. Numerical models to estimate the strength of weld are presented while considering the influence of welding parameters (such as laser power, feeding speed and focus position), material properties and molecular interdiffusion at the weld interface. The weld bonding strength is measured by mechanical tests and their results are compared with numerical modelling results.