Modélisation du procédé d'enroulement filamentaire de mèches carbone avec matrice thermoplastique acrylique liquide pour prédire les gradients de propriétés dans l'épaisseur du bobinage et déterminer les relations entre les contraintes résiduelles et les paramètres du procédé. Application aux réservoirs H2.

Modeling of the filament winding process of carbon rovings with liquid acrylic thermoplastic matrix to predict property gradients in the winding thickness and determine relationships between residual stresses and process parameters. Application to H2

• Auteur / Autrice : Corentin Freville
• Direction : Eric Lacoste
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 08/11/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

Mots clés

Mots clés libres

Composites à Matrice Organique

Matrice thermoplastique

Procédé d'enroulement filamentaire

Simulation numérique

Organic Matrix Composites

Thermoplastic matrix

Filament winding process

Numerical simulation

Résumé

Arkema développe depuis plusieurs années, une matrice thermoplastique liquide de type acrylique dénommée Elium® dont les propriétés la rendent parfaitement adaptée aux réservoirs de stockage. Le développement de ces réservoirs H2 composite se heurte à un certain nombre de verrous technologiques et scientifiques : 1) L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite des adaptations des paramètres du procédé industriel d'enroulement et des dispositifs pour tenir compte des nouvelles conditions : dimensions de ces mèches à forte densité de filament, forte viscosité des matrices et conditions spécifiques d'emploi des matrices thermoplastiques conventionnelles. 2) L'emploi d'une matrice acrylique comme l'Elium® nécessiterait que les fabricants de fibre développent un ensimage spécifique de leurs fibres qui est actuellement inenvisageable pour des raisons économiques. 3) Les principaux mécanismes d'endommagement des réservoirs bobinés ont été bien identifiés. Cependant en raison de la forte épaisseur des réservoirs, des gradients de propriétés et des défauts (porosités et contraintes résiduelles en particulier) sont observés sur les structures étudiées et en affectent le comportement mécanique et certaines propriétés physiques. A ce jour l'origine des gradients de propriétés et des défauts n'est pas encore reliée aux paramètres du procédé de mise en œuvre. Il apparaît donc qu'une compréhension des phénomènes physico-chimiques clefs ayant lieu lors de la mise en œuvre du procédé est une étape essentielle dans le développement des réservoirs bobinés de forte épaisseur. Outre la connaissance des relations entre les propriétés du matériau composite obtenues et les paramètres du procédé, la capacité à simuler le procédé permet d'envisager l'usage de matières premières originales dont les propriétés spécifiques nécessitent un ajustement des paramètres de fabrication. L'objectif de la thèse est de proposer une modélisation du procédé en considérant à la fois : 1. la phase d'imprégnation sous sollicitations mécaniques avec les conditions aux limites spécifiques du passage de la mèche dans un bain de résine ou dans une chambre d'injection, 2. la phase de bobinage sur mandrin où le couplage tension-compaction va générer des contraintes de compaction et des gradients de propriétés au fur et à mesure de l'empilement des couches 3. la phase de cuisson finale où la conduction de la chaleur dans l'épaisseur et l'exothermie associée à la cinétique de polymérisation vont générer des contraintes résiduelles. Les travaux de thèse seront décomposés en trois parties principales. • Caractérisation : Une caractérisation physico-chimique des constituants de base (fibre et résine) permettra de compléter la base de données existante. On étudiera le comportement mécanique et la perméabilité des mèches types employées par les industriels pour ce type de bobinage à l'aide de bancs spécifiques existants. On s'intéressera en particulier à la cinétique de polymérisation de la résine Elium, et à l'évolution de ses propriétés physiques avec le niveau d'avancement de la réaction. • Modélisation : Un modèle incluant les aspects chimiques, thermiques et mécaniques sera développé puis intégré dans un outil de simulation du procédé en cours de développement. • Expérimentation : Des éprouvettes technologiques et des pièces types seront fabriquées pour la validation des simulations numériques. Un pilote de procédé d'enroulement, disponible chez le partenaire TENSYL, sera modifié pour être compatible avec les exigences de mise en œuvre du polymère thermoplastique acrylique et son instrumentation enrichie pour mesurer l'ensemble des paramètres du procédé dans le cadre des corrélations avec les modélisations. Des protocoles expérimentaux seront à mettre au point afin de mettre en évidence les propriétés et défauts de ces éprouvettes résultants des conditions de mise en œuvre.

For several years now, Arkema has been developing a liquid thermoplastic acrylic matrix called Elium®, whose properties make it ideally suited to storage tanks. The development of these H2 composite tanks has come up against a number of technological and scientific obstacles: 1) The introduction of these new materials requires adaptations to the parameters of the industrial winding process and devices to take account of the new conditions: the dimensions of these high filament density rovings, the high viscosity of the matrices and the specific conditions of use of conventional thermoplastic matrices. 2) The use of an acrylic matrix like Elium® would require fiber manufacturers to develop a specific sizing of their fibers, which is currently unthinkable for economic reasons. 3) The main damage mechanisms of wound tanks have been well identified. However, due to the tanks' great thickness, property gradients and defects (porosities and residual stresses in particular) are observed on the structures studied, affecting their mechanical behavior and certain physical properties. To date, the origin of property gradients and defects has not yet been linked to process parameters. An understanding of the key physico-chemical phenomena occurring during the process is therefore an essential step in the development of thick-wound tanks. In addition to understanding the relationships between the composite material properties obtained and the process parameters, the ability to simulate the process enables us to envisage the use of original raw materials whose specific properties require adjustment of the manufacturing parameters. The aim of this thesis is to propose a process model considering both : 1. the impregnation phase under mechanical stress, with the specific boundary conditions of the wick's passage through a resin bath or injection chamber, 2. the mandrel winding phase, where voltage-compaction coupling generates compaction stresses and property gradients as the layers are stacked. 3. the final curing phase, where heat conduction through the thickness and the exotherm associated with polymerization kinetics will generate residual stresses. The thesis work will be broken down into three main parts. - Characterization: A physico-chemical characterization of the basic constituents (fiber and resin) will complete the existing database. The mechanical behavior and permeability of typical rovings used by manufacturers for this type of winding will be studied using existing specific benches. Particular attention will be paid to the polymerization kinetics of Elium resin, and the evolution of its physical properties as the reaction progresses. - Modeling: A model including chemical, thermal and mechanical aspects will be developed and integrated into a process simulation tool currently under development. - Experimentation: Technological specimens and typical parts will be manufactured to validate the numerical simulations. A winding process pilot, available from partner TENSYL, will be modified to be compatible with acrylic thermoplastic polymer processing requirements, and its instrumentation enhanced to measure all process parameters within the framework of correlations with modeling. Experimental protocols will be developed to highlight the properties and defects of these specimens resulting from the processing conditions.