Mise en forme des matériaux composites

Transcription

1 Mise en forme des matériaux composites Michel Vincent Cemef Mines ParisTech UMR CNRS 7635 Sophia Antipolis France CACEMI CA05 15 novembre 2007 Dimensionnement des structures composites 1

2 Introduction & Applications Composite : Hautes Performances Grande Diffusion L industrie française des matériaux composites, Nodal Consultants,

3 Importance relative de différents procédés L industrie française des matériaux composites, Nodal Consultants,

4 Deux exemples Thermoplastiques renforcés RTM / LCM 4

5 Thermoplastiques renforcés de fibres Fibers courtes (SFT) Longueur : 0,2-0,4 mm Fibres longues (LFT) Longueur : mm 3-5 mm PP / 30 % hemp PP / 15 % flax + 15 % glass 10 mm PP / 30 % sisal mm 5

6 L injection des polymères Procédé haute pression (2000 bar / 200 MPa) Temps de cycle : 3 s 2 min 10-3 g 10 kg 6

7 De l injection aux propriétés Injection Écoulement Fibre : orientation longueur courbure dispersion Propriétés mécaniques Retrait, voilage Aspect 7

8 Taux de fibres 8

9 Hayon Plaque nervurée PP GFL Plaque Arkema 150 x 150 x 3 mm 7 nervures espacées de 25 mm Épaisseurs : 1/3/3/2/2/3/3 mm Hauteurs : 9/12/9/12/9/12/9 mm 9

10 Taux de fibres PP GFL 40 %

11 Longueur de fibres 11

12 Plaque nervurée Deux débits : Q = 9 cm 3.s -1 / Q = 122 cm 3.s -1 L décroît le long de l écoulement Médiane plaque nervurée ( µm) > Médiane hayon ( ) 1200/1300 µm 1000/1000 µm 1200/1300 µm 1000/900 µm 900/1000 µm 12

13 Comparaison fibres courtes / fibres longues Fréquence Plaque injectée par le centre ou GFC (SFT) L n = 0,41 mm L w = 0,50 mm ESDASH STAMAX GFL (LFT) L n = 0,87 mm L w = 3,62 mm Longueur (mm)

14 Orientation des fibres 14

15 Orientation des fibres (fibres de verre) Injection d une plaque : structure cœur / peau // direction de l écoulement direction de l écoulement 15

16 Écoulement élongationel PS + quelques fibres PP fibres longues 16

17 Règles d orientation : résumé Ecoulement de cisaillement Écoulement élongationel rotations Flow direction position stable situation réelle complexe : écoulement combinaison de cisaillement et élongation orientations // ou 17

18 Simulation numérique L. Silva, T. Coupez, P. Laure, M. Vincent, J.F. Agassant 18

19 Simulation numérique 19

20 Fibres naturelles 20

21 Fibres naturelles : les granulés PP/30% chanvre Mèches mauvaise dispersion diamètre maximum apparent = 200 µm longueur maximum apparente = 1 mm 21

22 Fibres de lin faisceaux Défauts L = 9 mm, L/d = 85 22

23 Observation d une plaque injectée G. Lebrun, N. Billon, M. Vincent, 2009 Chanvre PP direction écoulement seuil 23

24 Injection : analyse des pressions T = 195 C 5 capteurs de pression PP / 30 % chanvre PP / 15 % lin + 15 % glass PP / 30 sisal PP 24 24

25 Propriétés mécaniques Hemp // Lin verre PP PP // and Sisal PP Fibres Naturelles : dans le plan de rupture Mèches : détachement

26 Le procédé RTM / LCM 26

27 Le procédé RTM / LCM Liquid Composite Molding RTM (rigid mold ) Infusion Sac mold Résine Pompe 27

28 Les renforts Mats, tissus, roving Verre, carbone 28

29 Les renforts [Sherburn2007] 29

30 Zones sèches Les défauts Prédiction correcte avec loi de Darcy Porosités Pas de prédiction fiable aujourd hui 30

31 Formation des porosités Grande vitesse d écoulement ou faible taux de renfort Faible vitesse d écoulement ou fort taux de renfort Effet capillaire 31

32 Différentes échelles Darcy v K P Nakashatrala et al., 2006 Stokes autour des fibres (+ Darcy à l intérieur des fibres) 15 µm Stokes 1 mm 32

33 Perméabilité adimensionnelle Perméabilité des mèches Taux de renfort 33

34 Échelle mésoscopique 34

35 Perméabilité dans le plan = f(perméabilité des mèches) L. Silva,

36 Conclusion Thermoplastiques renforcés de fibres : semi-produit, facile à utiliser, procédé d injection industriel Fibres naturelles vs verre : renouvelable, légère, moins d usure des outillages, moins d anisotropie, de casse Propriétés dépendent de : Nature des fibres (naturelles : origine, année) Matrice (fibres naturelles : température d injection < 200 C) Adhésion fibre matrice Concentration, longueur, orientation des fibres LCM : moule fermé, reproductibilité, déchets Défauts : zones sèches, porosités Simulation numérique : différentes échelles Composites : tendance thermoplastique 36