Modélisation et simulation numériques du comportement mécanique et de la résistance des composites à fibres : vers la conception de techniques de traitement optimales

Computational modeling and simulation of the mechanical behavior and failure of fiber composites : towards the design of optimal processing techniques

• Auteur / Autrice : Shixian Li
• Direction : Saïd Ahzi, João Pedro De Magalhães Correia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 08/12/2025
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed El Mansori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kui Wang, Siham Touchal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed El Mansori, Victor Neto
• DOI : 10.70675/c6bd90f4zafd7z44f4z9f55z05882f5f46b1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Composites à fibres

Mots clés libres

Fabrication par filament fondu (FFF)

Composites renforcés par fibres continues

Surveillance thermique

Modélisation par éléments finis

Modélisation du transfert thermique

Comportement d’adhésion

Cristallisation et coalescence

Degré de cicatrisation

Fused Filament Fabrication (FFF)

Continuous Fiber-Reinforced Composites

Thermal Monitoring

Finite Element Modeling

Heat Transfer Modeling

Adhesion Behaviors

Crystallization and Coalescence degrees

Healing degree

Résumé

La fabrication additive (AM), également appelée dépôt de fil fondu (FFF), offre un fort potentiel pour la fabrication de structures complexes et personnalisées. Toutefois, son application aux composants structurels reste limitée par une faible adhésion inter-couche et des performances mécaniques insuffisantes. Dans ce travail, des composites en polypropylène renforcés par fibres continues de ramie ont été fabriqués par FFF, et l’influence de l’historique thermique sur l’adhésion interfaciale a été étudiée de manière systématique.Un système de suivi thermique in situ, combinant imagerie infrarouge et acquisition de données, a été développé afin d’enregistrer l’évolution de la température couche par couche. Des températures de buse graduées ont permis d’améliorer le réchauffement inter-couches et l’adhésion. Un modèle thermique bidimensionnel par éléments finis, intégrant à la fois la matrice polymère et les fibres continues, a été établi et validé, montrant que les fibres modifient significativement les champs thermiques locaux et favorisent le réchauffement.L’adhésion inter-couche a été analysée à l’aide de modèles de cristallisation, de coalescence et de cicatrisation interfaciale, mettant en évidence le rôle de la diffusion des chaînes polymères dépendante de la température et de la fusion des cristaux. Une optimisation paramétrique a identifié la température d’extrusion (210-220 °C) et la température du plateau (50-75 °C) comme facteurs clés pour l’amélioration de l’adhésion. Cette étude apporte des éléments de compréhension sur le couplage thermo-mécanique dans le procédé FFF de composites à fibres continues et fournit des orientations pour l’optimisation des procédés.

Additive manufacturing (AM), also called fused filament fabrication (FFF), offers great potential for fabricating complex and customized structures, but its application in structural components is limited by weak inter-layer bonding and low mechanical performance. In this work, continuous ramie fiber reinforced polypropylene composites were fabricated by FFF, and the influence of thermal history on inter-facial bonding was systematically investigated. An in-situ thermal monitoring system combining infrared imaging and data acquisition was developed to record layer-by-layer temperature evolution. Gradient nozzle temperatures were found to enhance inter-layer reheating and adhesion. A two-dimensional finite element thermal model incorporating both polymer matrix and continuous fibers was established and validated, demonstrating that fibers significantly modify local thermal fields and promote reheating. Inter-layer adhesion was analyzed through crystallization, coalescence, and inter-facial healing models, highlighting the role of temperature-dependent chain diffusion and crystal melting. Parametric optimization identified extrusion temperature (210-220 °C) and base-plate temperature (50-75 °C) as key factors for improving bonding. This study provides insights into thermal-mechanical coupling in continuous fiber-reinforced FFF and offers guidance for process optimization.