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
Introduction & Applications Composite : Hautes Performances Grande Diffusion L industrie française des matériaux composites, Nodal Consultants, 2002 2
Importance relative de différents procédés L industrie française des matériaux composites, Nodal Consultants, 2002 3
Deux exemples Thermoplastiques renforcés RTM / LCM 4
Thermoplastiques renforcés de fibres Fibers courtes (SFT) Longueur : 0,2-0,4 mm Fibres longues (LFT) Longueur : 10 12 mm 3-5 mm PP / 30 % hemp PP / 15 % flax + 15 % glass 10 mm PP / 30 % sisal 10-12 mm 5
L injection des polymères Procédé haute pression (2000 bar / 200 MPa) Temps de cycle : 3 s 2 min 10-3 g 10 kg 6
De l injection aux propriétés Injection Écoulement Fibre : orientation longueur courbure dispersion Propriétés mécaniques Retrait, voilage Aspect 7
Taux de fibres 8
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
Taux de fibres PP GFL 40 % 39.4 37.4 40.8 41.8 42.4 44.8 43.5 39.4 38 40 40 39 39.9 38.9 39.9 41.6 37.3 38.8 39.2 39.6 40.4 39.5 40.8 10
Longueur de fibres 11
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 (1000-1200 µm) > Médiane hayon (700-900) 1200/1300 µm 1000/1000 µm 1200/1300 µm 1000/900 µm 900/1000 µm 12
Comparaison fibres courtes / fibres longues Fréquence Plaque injectée par le centre 2 0 0 6 0 10 2 3 4 2 ou 4 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 GFC (SFT) L n = 0,41 mm L w = 0,50 mm ESDASH STAMAX 0.25 0.2 0.15 0.1 GFL (LFT) L n = 0,87 mm L w = 3,62 mm 0.05 0 Longueur (mm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 13
Orientation des fibres 14
Orientation des fibres (fibres de verre) Injection d une plaque : structure cœur / peau // direction de l écoulement direction de l écoulement 15
Écoulement élongationel PS + quelques fibres PP fibres longues 16
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
Simulation numérique L. Silva, T. Coupez, P. Laure, M. Vincent, J.F. Agassant 18
Simulation numérique 19
Fibres naturelles 20
Fibres naturelles : les granulés PP/30% chanvre Mèches mauvaise dispersion diamètre maximum apparent = 200 µm longueur maximum apparente = 1 mm 21
Fibres de lin faisceaux Défauts L = 9 mm, L/d = 85 22
Observation d une plaque injectée G. Lebrun, N. Billon, M. Vincent, 2009 Chanvre PP direction écoulement seuil 23
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
Propriétés mécaniques Hemp // Lin verre PP PP // and Sisal PP Fibres Naturelles : dans le plan de rupture Mèches : détachement. 25 25
Le procédé RTM / LCM 26
Le procédé RTM / LCM Liquid Composite Molding RTM (rigid mold ) Infusion Sac mold Résine Pompe 27
Les renforts Mats, tissus, roving Verre, carbone http://en.wikipedia.org/wiki/fiberglass 28
Les renforts [Sherburn2007] 29
Zones sèches Les défauts Prédiction correcte avec loi de Darcy Porosités Pas de prédiction fiable aujourd hui 30
Formation des porosités Grande vitesse d écoulement ou faible taux de renfort Faible vitesse d écoulement ou fort taux de renfort Effet capillaire 31
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
Perméabilité adimensionnelle Perméabilité des mèches Taux de renfort 33
Échelle mésoscopique 34
Perméabilité dans le plan = f(perméabilité des mèches) L. Silva, 2011 35
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