Le soudage par ultrasons des composites CF/PEEK en multimode et les propriétés de l'interphase d'un assemblage soudé

Multimode ultrasonic welding of CF/PEEK composites and interphase properties of the welded assembly

• Auteur / Autrice : Fabrice Carassus
• Direction : France Chabert, Christian Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Casari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : France Chabert, Christian Garnier, Pascal Casari, Nicolas Caussé, Jérôme Rousseau, Elisabeth Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nick Virgilio, Frederik Desplentere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Aéronefs

Mots clés libres

Soudage ultrasons

Interphase

Composites

Thermoplastiques

Méthodologie

Propriétés

Ultrasonic welding

Interphase

Composites

Thermoplastics

Methodology

Properties

Résumé

L'arrivée des aéronefs bas carbone à l'horizon 2035 s'annonce être un bouleversement pour la motorisation, et un véritable défi d'un point de vue des matériaux à mettre en œuvre. Le développement des technologies de soudage va de pair avec l'incorporation progressive de composites thermoplastiques. Parmi elles, le soudage par ultrasons nécessite encore une montée en maturité pour prendre une dimension industrielle, ce qui commence par la maîtrise du soudage statique. Cette technique d'assemblage implique l'emploi d'un équipement spécifique capable de délivrer des vibrations ultrasoniques à travers un mode de contrôle défini, tout en appliquant une pression. Elle nécessite également l'incorporation d'un film de polymères entre les surfaces à souder : le directeur d'énergie. Des éprouvettes en composite CF/PEEK, calibrées en épaisseur, ont été fabriquées par thermocompression. La matrice PEEK a été choisie pour ses performances mécaniques et sa capacité de cristallisation rapide, tandis que deux matériaux différents ont été utilisés comme directeurs d'énergie : le PEI et le PEEK. Une nouvelle méthodologie d'optimisation du soudage par ultrasons a été mise au point, en donnant aux courbes de soudage la forme désirée. Cette méthode se base sur l'emploi de phases multiples de soudage : le multimode. Elle garantit des résistances d'assemblage des composites CF/PEEK > 40 MPa et promet une optimisation rapide de tout assemblage comprenant des matériaux compatibles. L'importance de la nature et de la surface du directeur d'énergie a été démontrée. L'étude de mélanges modèles de PEEK et de PEI a permis d'écarter des hypothèses sur l'origine de la rupture des assemblages. Les températures ont été mesurées de façon peu intrusive pendant le soudage au moyen de réseaux de Bragg, apportant la preuve de l'hétérogénéité thermique dans l'interphase. Cette zone qui entre en fusion pendant l'activation des ultrasons atteint des températures comprises entre 500 et 700°C. La cinétique rapide du procédé permet des temps d'assemblage de l'ordre de quelques secondes. Les interphases soudées ont été visualisées à l'aide d'un microscope numérique, permettant de valider une méthode de contrôle manuelle.

Low-carbon aircraft by 2035 are expected to be a major change in motorization, and a real challenge in terms of new materials. The development of welding technologies is closely linked to the growing use of thermoplastic composites. However, ultrasonic welding still needs significant advancements to reach an industrial scale, starting with the mastery of static welding. This assembly technique involves specific equipment designed to deliver ultrasonic vibrations through a defined control mode, while applying pressure. It also requires a polymer film to be incorporated between the surfaces to be welded: the energy director. Thickness-calibrated specimens of CF/PEEK composite were manufactured by thermocompression. The PEEK matrix was chosen for its mechanical performance and rapid crystallization capacity, while two different materials were used as energy directors: PEI and PEEK. A new methodology was developed to optimize ultrasonic welding, by giving the welding curves the desired shape. This method is based on using multiple welding phases: multimode. It ensures CF/PEEK composite joining strengths > 40 MPa and promises rapid optimization of any assembly using compatible materials. The significance of nature and surface of the energy director was demonstrated. Hypotheses concerning the origin of joint failure were discarded by studying model blends of PEEK and PEI. Temperatures during welding were measured with minimal intrusion using Fiber Bragg gratings, providing evidence of heterogeneous heating in the interphase. This region, which melts during ultrasound activation, reaches temperatures of between 500 and 700°C. The rapid kinetics of the process enable assembly times on the order of a few seconds. The welded interphases were visualized using a digital microscope, validating a manual inspection method.