Méthodologie de conception thermique d’outillage : application aux composites hautes performances

Thermal design methodology for hybrid manufacturing process of High Performance Thermoplastics Composites

• Auteur / Autrice : Enrique Reyes Rodriguez
• Direction : Vincent Sobotka, Jean-Luc Bailleul, Nadine Allanic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Muriel Carin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arthur Cantarel, Alban Agazzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chung Hae Park, Sylvain Drapier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception technique

Transfert de chaleur

Composites polymères

Mots clés libres

Procédés composites hybrides

Multi-matériaux

Méthode inverses

Hybrid composite processes

Multi-materials

Inverse methods

Résumé

La maîtrise de transferts thermiques joue un rôle clé dans la mise en forme des matériaux composites à résine polymère « haute performance », notamment dans la fabrication des pièces multi-matériaux (composite-polymer-métal), laquelle possède des applications avantageuses dans l’industrie aéronautique et automobile. Dans ce procédés multi-étapes, l’interaction des différents matériaux, mais également la complexité de la géométrie pu engendrer des différences de température qui sont à l’origine des plusieurs défauts dans la pièce, comme la délamination ou bien le flambement de fibres. Au cours des années, diverses méthodologies de conception thermique dans la mise en forme de polymères ont été proposées, cependant ces méthodologies sont focalisées dans une seule étape du procédé ou appliquées aux procédés mono matériaux. Ainsi, cette thèse propose une méthodologie de conception thermique prenant en compte toutes les étapes de fabrication d’une pièce multi-matériaux. Pour cela, le procédé d’estampage avec surmoulage d’insert métallique est choisi comme cas d’étude. Ce procédé est représenté en 4 étapes principales : préchauffage, transfert, estampage et surmoulage. Les variables thermiques à optimiser, comme par exemple le flux de chaleur à imposer pendant le préchauffage, sont considérées variables dans le temps et dans l’espace. L’intégration d’un critère d’optimisation basé sur l’adhésion à l’interface des polymères est également explorée. Pour la mise en œuvre de la méthodologie, un code d’optimisation basé en gradient est développée, et appliqué à un cas d’étude 2D représentatif d‘une problématique industrielle. Ensuite, une validation expérimentale de l’approche méthodologique est réalisée. Un bac d’essai conçu pour le soudage des éprouvettes composites est utilisé à cet effet. Finalement, la réalisation d’une campagne expérimentale à l’IRT Jules Verne ayant pour but l’obtention d’un profil thermique plus homogène dans la pièce au final de chacune des étapes de fabrication est abordée pour démontrer sa pertinence dans des applications industrielles.

Heat transfer plays a major role when designing manufacturing processes involving high performance thermoplastic composites. Indeed, thermal parameters have a direct impact on part’s quality and process productivity. Over the past decades, different optimization approaches have been proposed to overcome this challenge. Most of these investigations focused on a single stage of the process and the transformation of mono-materials. This research proposes a thermal design methodology that could be applied in all stages of the manufacturing process but also to a multi-material parts. The proposed methodology is based on an inverse optimization algorithm. The aim is to reduce defects inside manufactured pieces through the right configuration of thermal-related parameters, as temperature or heat flux distribution around the manufactured part at each stage. A bonding criteria between polymers parts based in the degree of healing is incorporated in the objective function of the proposed methodology. A 2D axisymmetric study case is used to introduce the design methodology, the selected manufacturing process include 4 stages: preheating, transfer, stamping and overmolding. The methodology is then validated throughout a 1D study case of an experimental bench used to weld two organosheet samples. Finally, an industrial 3D case of stamping with overmolding is treated. The objective is to found the thermal parameters to optimize the thermal profile in the part at the end of each of the manufacturing steps. Results are compared with experimental tests conducted at the IRT JULES VERNE. In this way the relevance of the methodology is demonstrated in industrial applications.