Étude de la découpe des biocomposites par un jet d'azote cryogénique pur et additionné de charges particulaires abrasives

Study of the cutting of biocomposites by a jet of pure cryogenic nitrogen and added with abrasive particulate charges

• Auteur / Autrice : Floriane Lavorel
• Direction : Mohamed El Mansori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique - Procédés de fabrication
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing - CRITT-TJFU - Mechanics surfaces and materials processing
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Caroline Richard, Hamid Zaïdi, Hassan Zahouani, Abdel Tazibt, Faissal Chegdani, Yosri Khalsi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Richard, Hamid Zaïdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Coupage au jet

Cryotechnique

Thèses et écrits académiques

Usinage

Mots clés libres

Biocomposites

Usinage cryogénique

Fibres végétales

Azote supersonique

Jet de fluide

Biocomposites

Cryogenical processing

Natural fibers

Supersonic nitrogen fluid

Fluid jet

Résumé

Ce projet de thèse s’intéresse à l’étude d’une nouvelle technologie d’usinage basée sur la découpe par jet d’azote cryogénique pour le parachèvement des biocomposites. Cette technique d’usinage s’avère prometteuse pour les composites synthétiques. En revanche, l’application d’une telle technologie de découpe à un matériau dont la structure est multi-échelle et complexe nécessite une étude approfondie pour déterminer les caractéristiques du contact outil / matière ainsi que son impact sur la matière usinée. Ce travail de thèse propose dans un premier temps une étude exploratoire pour valider la faisabilité d’un tel procédé dans le cas de l’usinage des bio-composites en considérant un jet d’azote pur et un jet d’azote chargé de particules abrasives. Une étude statistique est conduite ensuite pour analyser l’effet des paramètres de ce procédé sur l’usinabilité des bio-composites. Les paramètres les plus significatifs du procédé de découpe par jet d’azote ont été retenus à la fin de cette thèse pour mener une analyse expérimentale thermomécanique sur banc instrumenté afin de pouvoir identifier les phénomènes physiques à l’origine du comportement de coupe des biocomposites dans un environnement cryogénique. Les résultats de ces travaux ont montré la nécessité d’introduire des particules abrasives pour augmenter le taux d’enlèvement de matière et améliorer l’usinabilité du biocomposite en additionnant le mécanisme d’abrasion à celui de l’érosion. Lors d’une opération de découpe par un jet de fluide cryogénique, la rigidification des différentes phases du biocomposite par effet thermomécanique contribue à une amélioration de son usinabilité en augmentant l’efficacité du cisaillement des fibres tout en la rendant moins dépendante de la taille du contact avec l’outil abrasif. Néanmoins, les températures cryogéniques atteintes lors du passage du jet d’azote participent aussi à une fragilisation des interfaces entre les fibres et la matrice, ce qui favorise leur rupture sous un chargement thermomécanique de coupe.

This Ph.D project is focused on the study of a new machining technology based on a cryogenic nitrogen jet for the cutting of biocomposites. This machining technique is promising for synthetic composites. However, applying such a cutting technology to a material whose structure is multiscale and complex requires an in-depth study to determine the characteristics of the tool/material contact as well as its impact on the machined material. This Ph.D work proposes first an exploratory study to validate the feasibility of this cutting process in the case of biocomposite machining by considering a jet of pure nitrogen and a jet of nitrogen charged with abrasive particles. A statistical study is then conducted to analyze the effect of the process parameters on the machinability of biocomposites. The most significant parameters of the nitrogen jet cutting process were considered at the end of this Ph.D work to conduct an experimental thermomechanical analysis on an instrumented bench in order to be able to identify the physical phenomena that are the origin of the cutting behavior of biocomposites in a cryogenic environment. The results of this work showed the necessity of introducing abrasive particles to increase the material removal rate and improve the biocomposite machinability by the addition of the abrasion mechanism to that of erosion. During a cutting operation by a cryogenic fluid jet, the stiffening of the different biocomposite phases through a thermomechanical effect contributes to an improvement in its machinability by increasing the efficiency of the fibers' shearing while making it less dependent on the size of the contact with the abrasive tool. Nevertheless, the cryogenic temperatures reached during the nitrogen jet cutting contribute also to the embrittlement of the interfaces between the fibers and the matrix, which favors their break under a thermomechanical cutting load.