Simulation des procédés d infusion et d injection: de la caractérisation des matériaux à la définition et l optimisation du procédé

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1 Simulation des procédés d infusion et d injection: de la caractérisation des matériaux à la définition et l optimisation du procédé Marius MIHALUTA, PPE Auteurs: Jérôme RAYNAL, PPE Aurélien PHILIPPE, PPE Réunion d information CCI Région Lorraine Nancy, 5 avril 2012

2 Plan de la présentation Présentation PPE Perméabilité notions générales Matériel requis pour la mesure de la perméabilité dans le plan/dans l épaisseur Simulation des procédés RTM et infusion Simulation du procédé d infusion: étude de cas Simulation du procédé d injection: étude de cas 05/04/2012 2

3 Présentation du PPE SAINT-AVOLD PPE 05/04/2012 3

4 PPE chiffres clés Chiffres clés: Création en 1989 Environ 40 spécialistes du composite (Docteurs, ingénieurs et techniciens) Chiffre d affaires 2011: 4,2 M 3 activités : Centre principal d ingénierie Centre de contrôle non destructif Unité de production en petite série Certifications: ISO 9001 V2008 et EN /04/2012 4

5 Activités du PPE Prototypage PPE Travaux Industriels Petite série Simulation d injection RTM Polymères Chargés Caractérisation des matériaux 05/04/2012 5

6 Secteurs d activité Aéronautique/défense Energie/nucléaire Transport/nautisme Sports et loisirs Expertise/laboratoire/formation 05/04/2012 6

7 Plan de la présentation Présentation PPE Perméabilité notions générales Matériel requis pour la mesure de la perméabilité dans le plan/dans l épaisseur Simulation des procédés RTM et infusion Simulation du procédé d infusion: étude de cas Simulation du procédé d injection: étude de cas 05/04/2012 7

8 La perméabilité Qu entendons nous par perméabilité? La perméabilité caractérise la capacité du renfort de laisser circuler la résine La perméabilité est illustrée par la superficie moyenne de la section des canaux qui vont laisser passer la résine et permettre ainsi l imprégnation (unité: m²) La perméabilité peut être associée à la contre pression induite lors du remplissage de la pièce Une faible perméabilité va engendrer des contre pressions importantes (Loi de Darcy) Les renforts dans l aéronautique sont caractérisés par des perméabilité de m² dans le plan/hors plan 05/04/2012 8

9 Quels paramètres pour la simulation du remplissage? Paramètres géométriques: Fichiers CAO, maillages Paramètres résine: Viscosité en fonction de la température Stratégie: Débit constant/pression constante Plusieurs points d injection/un seul point d injection Stratégie d éventation Paramètres renfort: Perméabilité dans le plan/ dans la direction transverse Taux Volumique de Fibres 05/04/2012 9

10 Mesure de la perméabilité PPE emploie une méthode de mesure de la perméabilité basée sur la pression (Loi de Darcy)» K = Q μ L A P Formule classique pour une injection frontale à débit constant K: valeur de la perméabilité Q: Débit m: Viscosité DL: Longueur A: Section à imprégner DP: Pression En se basant sur un paramètre pragmatique qui est l évolution de la pression, PPE a développé et breveté des bancs de perméabilité pour les perméabilités: Dans le plan (Kx, Ky) Dans l épaisseur (Kz) 05/04/

11 Plan de la présentation Présentation PPE Perméabilité notions générales Matériel requis pour la mesure de la perméabilité dans le plan/dans l épaisseur Simulation des procédés RTM et infusion Simulation du procédé d infusion: étude de cas Simulation du procédé d injection: étude de cas 05/04/

12 Banc de perméabilité pour la mesure de la perméabilité dans le plan Le banc est composé de: Machine d injection à débit constant: pour se focaliser sur l évolution de la pression Presse hydraulique: éviter la déformation du moule et son ouverture à cause de la pression interne Moules en acier prévus de cales: moules rigides - pas de déformation, l épaisseur de la cavité est assurée par les cales (taux de fibres), possibilité de chauffage Système de capteurs de pression: localisé dans le moule inférieur pour récupérer les valeurs de la pression à plusieurs endroits dans l outillage Logiciel d acquisition et traitement de données: pour le calcul de la perméabilité et de l élancement 05/04/

13 Banc de perméabilité pour la mesure de la perméabilité dans le plan Epaisseur imposée La résine est injectée au centre de la cavité: injection centrale pour éviter l accélération du front de résine au bord de la préforme Un trou est pratiqué au centre de la préforme pour enlever l effet de la perméabilité transverse L épaisseur de la cavité est contrôlée est maitrisée La pression est enregistrée à plusieurs endroit grâce au système de capteurs 05/04/

14 Banc de perméabilité pour la mesure de la perméabilité dans le plan 05/04/

15 Banc de perméabilité pour la mesure de la perméabilité dans la direction transverse Le banc est composé de: Machine d injection à débit constant: pour se focaliser sur l évolution de la pression Grille de distribution: repartir rapidement le front de résine à la surface de l échantillon Presse hydraulique: éviter la déformation du moule et son ouverture à cause de la pression interne Moules en acier prévus de cales: moules rigides - pas de déformation, l épaisseur de la cavité est assurée par les cales (taux de fibres), possibilité de chauffage Plis de tissu Epaisseur imposée Système de capteurs de pression: localisés aux extrémités des plis de tissu pour récupérer les valeurs de la pression à plusieurs endroits dans l outillage Logiciel d acquisition et traitement de données: pour le calcul de la perméabilité et de l élancement 05/04/

16 Caractéristiques de la méthode de mesure Points clés caractérisant cette méthode de mesure de la perméabilité: Méthode de mesure basée sur la pression (Loi de Darcy) Injection à débit constant Moule rigide = épaisseur de la cavité constante, donc TVF constant L épaisseur de la cavité et le nombre de plis sont ajustés pour atteindre le Taux Volumique de Fibres souhaité Technique adaptée au procédé RTM (permet de mesurer la perméabilité dans les mêmes conditions de la mise en œuvre de pièces) Quelle est la procédure dans le cas du procédé d infusion? 05/04/

17 Mesure de la perméabilité pour le procédé d infusion Les procédés présentent des particularités La méthode doit être adaptée au procédé Procédé d infusion vs. Procédé RTM: Media de distribution au dessus de l empilement pour accélérer l imprégnation Variation de l épaisseur de la pièce après imprégnation par rapport à l épaisseur initiale La variation d épaisseur dépend du renfort Pour évaluer l épaisseur réelle de l empilement (épaisseur à considérer dans les calculs), PPE fabrique un coupon 05/04/

18 Mesure de la perméabilité pour le procédé d infusion L épaisseur de l essai = l épaisseur après infusion Il est essentiel de mesurer la perméabilité du media de distribution dans les conditions du procédé d infusion PPE a développé une mesure qui prend en considération: Le type de fibres utilisées Le type de media de distribution L interaction entre les fibres et le media de distribution en termes d imprégnation perméabilité du media de distribution 05/04/

19 Validation des mesures de la perméabilité Protocole de validation: Réalisation des essai sur le banc de perméabilité Valeurs des perméabilités Courbes de pression à plusieurs points Simulation numérique de l essai Modélisation 3D du mule avec les capteurs de pression Simulation de l injection en utilisant en entrée la valeur de la perméabilité mesurée sur le banc En sortie: évolution de la pression au niveau des capteurs Comparaison entre les données obtenues sur le banc de perméabilité et par simulation: Temps pour atteindre les capteurs Évolution de la pression 05/04/

20 Validation des mesures de la perméabilité Modélisation du moule utilisé pour les mesures: Simulation de l essai de perméabilité avec le logiciel PAM-RTM: 05/04/

22 Principe du procédé RTM Résine Résine Renfort Vide D D 05/04/

23 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé RTM: Maillage 3D de la pièce: chaque composant est maillé (chaque type de renfort) Intégration des valeurs de perméabilité (dans le plan, dans l épaisseur) 1. Canal d injection (perméabilité homogène) 2. Canal de distribution (perméabilité homogène) 3. Canaux d alimentation (perméabilité homogène) 4. Préforme (Kx, Ky, Kz) 05/04/

24 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé RTM: 05/04/

25 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé RTM 05/04/

26 Principe du procédé d infusion Résine Résine Joint d étanchéité Bâche à vide Pompe à vide Injecteurs et évents Renfort Moule D D 05/04/

27 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé d infusion Une simulation 3D en utilisant un maillage de chaque couche (media de distribution et renfort) est recommandée pour des résultats pertinents La perméabilité moyenne de l empilement n est pas pertinente Le media de distribution et le renfort sont maillés séparément Média de distribution (Kx, Ky) Renfort (Kx, Ky, Kz) 05/04/

28 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé d infusion 05/04/

29 Intégration des valeurs de perméabilité dans la simulation Pour le procédé d infusion Influence importante de la perméabilité transverse 05/04/

34 Etude de cas: panneau auto-raidi imprégné par procédé mixte (RTM et Infusion) 05/04/

35 Définition du process 05/04/

36 Stratégie de maillage Zone critique: mèche en tissu pour le remplissage de la jonction entre les peaux Est-il nécessaire de simuler de manière précise cette zone? Premier approche: simulation précise de la pièce avec la mèche 05/04/

37 Maillage de la pièce Détails des zones implémentées: 05/04/

38 Imprégnation de la pièce 05/04/

39 Imprégnation de la pièce Temps de remplissage: 18s 05/04/

40 Résultats de la simulation L étude à mis en évidence: Qu il n y a pas de risque d emprisonnement d air Le front de résine n est pas perturbé par la mèche Conclusion: la mèche ne nécessite pas un maillage précis pour réduire: La complexité du modèle Le temps de calcul 05/04/

41 Paramètres de simulation Viscosité de la résine Résine: RTM6 Viscosité pendant l injection: 100cp Perméabilité du renfort Kx: 5x10 11 Ky: 5x Kz: 7x Perméabilité du média de distribution PAM RTM n accepte pas de variation importante de la perméabilité entre 2 zones juxtaposées Pour éviter les erreurs: plusieurs couches sont implémentées (l écart dans les valeurs de perméabilité entre 2 couches est une puissance de 10) Média de distribution 1 Média de distribution 2 Média de distribution 3 Kx: 5*10 08 Kx: 5*10 09 Kx: 5*10 10 Ky: 5*10 08 Ky: 5*10 09 Ky: 5*10 10 Kz: 7*10 10 Kz: 7*10 11 Kz: 7* /04/

42 Modélisation macroscopique Maillage réalisé sous GEOMESH Éléments tétraédriques: éléments, nœuds 05/04/

43 Modélisation macroscopique Maillage sous GEOMESH 15 zones: 6 zones pour le renfort 9 zones pour le média de distribution 05/04/

44 Zones obtenues après maillage 05/04/

45 Paramétrage avant simulation Définition du modèle: Caractéristiques de la résine (viscosité) Caractéristiques du renfort (perméabilité) Orientation des perméabilité Définition d une stratégie d injection Localisation du point d injection Débit maximal et pression simulation de plusieurs stratégies d injection 05/04/

46 Injection en trois points Temps d injection: 8 minutes et 29 secondes 05/04/

47 Injection centrale Temps d injection: 10 minutes et 48 secondes 05/04/

48 Injection périphérique Temps d injection: 13 minutes et 02 secondes 05/04/

49 Choix d une stratégie d injection Une injection en 3 points a été sélectionnée: Meilleur compromis en termes de temps d injection et avancement du front de résine 05/04/

51 Etude de cas: doublure interne yacht de 12 mètres Projet pour la réalisation d une pièce complexe dans le domaine du nautisme Azimut Yachts 05/04/

52 Etude de cas Doublure interne pour le renforcement d une coque de bateau Environ 40m² Passage du Moulage manuel au RTM light 05/04/

53 Dimensions de la pièce Pièce très complexe Plusieurs formes ayant une importante hauteur relative à la «ligne de base» de la pièce 05/04/

54 Quel est l intérêt de la simulation? Définir la stratégie d injection Positionnement des points d injection Positionnement des évents Concevoir l outillage Maitriser le process 05/04/

55 Définition de la stratégie d injection Paramètres de simulation: Simulation 2D avec le maillage d une couche Perméabilité du renfort: K = 2*10 9 m² (mesure PPE) Viscosité de la résine: m = 110cp Débit: 10l/min (machine) Stratégie d injection: Injection périphérique, points d injection et évents à définir Valeur du vide: -0,6bar (dans le moule Une bonne connaissance des process est requise pour définit la stratégie d injection et l optimiser 05/04/

56 Simulation 1 05/04/

57 Simulation 1 Objectif: avoir une première idée de l avancée du front de résine Plusieurs évents sont nécessaires 05/04/

58 Simulation 2 T0: 5 points d injection (1, 2, 3, 4, 24) T0 + x: 3 canaux d injection (20, 21, 23) 05/04/

59 Simulation 2 Séquence d injection initiale: 1, 2, 3, 4, 24 Deuxième séquence d injection: canaux 20 et 21 Risque de zone sèche: point d injection nécessaire Troisième séquence d injection: canal 23 05/04/

60 Simulation 3 Le point 9 devient un point d injection 05/04/

61 Simulation 3 Deuxième séquence d injection: canaux 20, 21 et 9 Injection en 23 Derniers évents à se fermer 05/04/

62 Volume de résine injectée par point d injection 05/04/

63 Volume total injecté 05/04/

64 Remarques intermédiaires Grâce à la simulation on obtient: Définition complète et détaillée de la stratégie d injection Informations précises concernant: Le temps d injection Le volume de résine injecté 05/04/

65 Conception de l outillage Positionnement des points d injection pour la première séquence 05/04/

66 Conception de l outillage Positionnement des points d injection secondaires et des canaux d injection 05/04/

67 Conception de l outillage Positionnement des évents La conception de l outillage (points d injection et évents) est facilitée par la simulation (obtenue directement à partir des simulations) 05/04/

68 Maitrise du process Mise au point de la gamme de fabrication et des instructions de fabrication Données utilisées pour le suivi de la fabrication Après fabrication, on a constaté: - Environ 10% de variation entre la simulation et la réalité - Pièce complexe - Pièce de grande taille (40m²/280l de résine) (*) volume total de résine: résine injectée dans la pièce, volume perdu dans les canaux de distribution, évents 05/04/

69 Stratégie globale Simulation d injection Stratégie d injection Conception outillage Maitrise du processus Prédiction des coûts Réalisation prototype Caractérisation mécanique (PPE) Caractérisation physico-chimique (PPE) Investigation santé pièce (PPE via CI) 05/04/

70 Validation produit La validation des produits passe par une phase de contrôle non destructif C-Scan Jet d eau US (A-Scan et multiéléments) Thermographie Shearographie Plateforme de Contrôle Non Destructif Logiciel de simulation CIVA Déflectométrie Emission acoustique 05/04/

71 Conclusions PPE a breveté plusieurs bancs de perméabilité basés sur l évolution de la pression (dans le plan, transverse) PPE utilise ces valeurs de perméabilité dans des modèles détaillés pour simuler avec précision les procédés de fabrication type RTM ou infusion 05/04/

72 Merci pour votre attention! PPE 18 Avenue du général Patton 57506, Saint-Avold France +33 (0) En Février 2013, le PPE organisera son 8ème Symposium international "RTM & Infusion" 8ème Symposium International RTM & Infusion Du 06 Février 2013 au 07 Février /04/