Caractérisation in situ et modélisation du procédé de moulage de composites liquides – Relation entre le procédé et les propriétés mécaniques des interfaces

Characterisation and modelling of liquid composite molding process – Relation between processing and mechanical properties of interfaces

• Auteur / Autrice : Etienne Dubois
• Direction : Marc RÉbillat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication instrumentée

Suivi des procédés

Moulage de composites liquides (MCL)

Dialogue essai/calcul

Délaminage

Smart manufacturing

Process monitoring

Liquid composite molding (LCM)

Test/simulation dialog

Delamination

Résumé

Le plan d'action de l'Union européenne pour 2050 prévoit une réduction de 80 à 95% des émissions de gaz à effet de serre et de C02 par rapport à 1990. Pour y parvenir en France, l'ADEME propose différents scénarios visant à atteindre la neutralité carbone, affectant entre autres l'utilisation des matériaux et leur procédé de fabrication associé. Depuis les 40 dernières années, les matériaux composites à matrice organique et renforts continus se sont largement développés pour la fabrication de pièces de structure dans différents secteurs tels que l'aéronautique, l'automobile, le naval, ou le ferroviaire en raison de leurs meilleures propriétés spécifiques par rapport aux matériaux métalliques à remplacer. Or, l'amélioration de leur production, de leurs performances, et de leur impact énergétique et environnemental est aujourd'hui un enjeu scientifique et environnemental majeur. Dans ce sens, le présent projet contribue à la maîtrise du procédé de fabrication des composites par MCL, principalement pour : (i) garantir les performances mécaniques des pièces composites et (ii) proposer une solution permettant d'améliorer le suivi de fabrication tout en réduisant l'empreinte carbone en comparaison avec d'autres techniques gourmandes en énergie comme celles en autoclave (e.g. Prepreg Compression Moulding, PCM). D'après la littérature actuelle, la qualité (c'est-à-dire l'imprégnation des fibres et le degré de durcissement de la résine) et les performances (c'est-à-dire les propriétés mécaniques) d'une pièce composite sont directement liées au processus de fabrication, qui doit être parfaitement maîtrisé (par exemple, température, pression, débit de résine) [Wang2012]. Dans ce sens, les procédés MCL tels que l'infusion de résine sous vide (VRI) et le moulage par transfert de résine (RTM) semblent extrêmement bien adaptés. Alors que le procédé RTM apparaît comme un procédé robuste pour des cadences de production élevées, le procédé VRI semble moins coûteux et plus accessible à l'échelle du laboratoire. Il permet de faire varier facilement le rapport fibre/résine d'une grande variété de matériaux constitutifs (c'est-à-dire la matrice organique et les renforts fibreux continus) ainsi que d'atteindre de larges plages d'épaisseur en fonction de l'application [Wang2012, Oosterom2019]. Dans ce contexte, le procédé VRI sera étudié dans cette thèse. La plupart de techniques expérimentales et numériques sont bien connues pour identifier les propriétés mécaniques des composites selon les normes. Cependant, elles restent souvent limitées à l'échelle du pli et du stratifié, et ne sont pas suffisants pour caractériser l'apparition de dommages, notamment de délaminages interplis. Pour cela, des essais et des outils numériques spécifiques à l'amorçage et à la propagation du délaminage sont nécessaires. L'état de l'art ne permet pas d'établir de lien physique entre les paramètres du procédé in situ et les propriétés mécaniques de l'interface interplis pour les composites VRI sur la base d'un dialogue essai/calcul. La méthodologie requise pour le surmonter n'est en effet pas encore disponible. Par conséquent, le présent projet prévoit le développement d'une méthodologie hybride (modélisation basée sur les données et l'expérimentation) résultant du suivi in situ de la fabrication instrumentée de composites par VRI puis de la caractérisation mécanique des interfaces pour répondre à cette problématique. Pour surmonter ces problèmes, les objectifs du présent projet sont : (i) développer une nouvelle méthodologie expérimentale et numérique pour le contrôle et la caractérisation in situ des matériaux composites organiques fabriqués par VRI et (ii) à partir de (i), établir les relations entre les paramètres du procédé et les propriétés mécaniques, notamment les propriétés d'interface pour assurer la résistance des composites stratifiés au délaminage à l'échelle de l'interface interplis.

The ADEME proposes different scenarios expecting to reach carbon neutrality in France in order to fulfil the requirements of the European Union for 2050 concerning the reduction of greenhouse gas and C02 emissions, affecting among several aspects the use of materials and their related manufacturing process. From the last 40 years, composite materials have been largely developed for the fabrication of structural parts in different sectors (e.g. aeronautics or naval industry) because of their better specific properties compared to metallic materials to be replaced. However, improving their production, their performance, and their energy and environmental impact is today a major scientific and environmental challenge. In this direction, the present project contributes to the control of manufacturing process for composites based on VRI (Vaccum Resin Infusion), allowing to guarantee the mechanical performance of composite parts and to reduce the associated carbon footprint. From the current literature, the quality (i.e. fibre impregnation and resin cure degree) and performance (i.e. mechanical properties) of a composite part are directly related to the manufacturing process, which must be perfectly controlled (e.g. temperature, pression, resin flow) [Wang2012]. Sustainability restrictions make it necessary to think about new manufacturing technics that are low energy-consuming. In this direction, LCM such as Vacuum Resin Infusion (VRI) seems extremely well adapted for a large variety of constituent materials (i.e. organic matrix and continuous fibre reinforcements) [Wang2012, Oosterom2019]. Common experimental and numerical techniques to identify the engineering mechanical properties of composites according to standards often remain limited to the scale of the ply and the laminate, and are not enough accurate to characterize interply delamination. For this, tests and numerical tools specific to the onset and propagation of delamination are necessary. The state of art does not make it possible to establish a physical link between the parameters of the in situ process and the mechanical properties of the interply interface for VRI composites on the basis of a test/simulation dialog. The methodology required to overcome it is not yet available. Therefore, the present project foresees the development of a hybrid methodology (data-driven modelling and experimentation) resulting from the in situ monitoring of the instrumented manufacturing of composites by VRI and then the mechanical characterization of the interfaces. To overcome these problems, the objectives of this project are: (i) to develop a new experimental and numerical methodology for the in situ control and characterization of composite materials fabricated by VRI and (ii) from (i), to establish the relationships between process parameters and mechanical properties, including interface properties to ensure the resistance of laminated composites to delamination at the interply scale.