Approche multi-échelles: Aide à la conception et à l'injection de pièces en Polyamide renforcé Y. Deyrail, M. Oumarou, A. Causier, W. Zerguine
SOMMAIRE Présentation de la société Contexte de l étude Approche multi-échelles Exemple de résultats Conclusions / Perspectives 2
Présentation de la société Chiffres clés Chiffre d affaire: 6.1 billion (2013) 10 centres de recherche (6 en France, 2 aux USA, 1 au Japon, 1 en Chine) 90 sites industriels dans le monde 14000 employés dans le monde Cerdato: centre R&D à Serquigny, France (250 personnes)
Nos activités Développer des nouveaux matériaux Développer des nouvelles applications Améliorer nos procédés Assurer une assistance technique à l international
Contexte de l étude Répondre à la question: Un matériau développé pour une application automobile (Polyamide chargé à 8% de fibre de verre) Cahier des charges Rigidité, durabilité Résistance thermochimique Fiabilité peut-il être utilisé dans une application sport? Cahier des charges Légèreté Résistance mécanique: choc, flexion Résistance en fatigue Esthétique, colorabilité 5
Contexte : développer un matériau Le développement d un matériau formulé est un processus long et couteux qui nécessite de nombreux cycles de formulation - qualification optimisation Grâce à la simulation numérique, apporter un appui à la démarche expérimentale exemple d un Polyamide chargé: choix de la résine, des charges (nature, facteur de forme, taux ) Grâce à la simulation numérique, être capable de prédire le comportement de nos matériaux afin de mieux choisir les paramètres du procédé de fabrication des pièces (optimisation du design). exemple d un Polyamide chargé: influence de l orientation, dispersion, des charges sur les propriétés applicatives 6 Approche multiéchelles
Approche multiéchelles Cas d un matériau chargé Modèle de comportement du matériau Sollicitations mécaniques Propriétés mécaniques finales Approche macroscopique isotrope Approche multiéchelles Approche macroscopique anisotrope 1mm 1mm 1mm Milieu homogène isotrope Milieu hétérogène anisotrope Milieu homogène anisotrope 7
Moyens Approche macroscopique isotrope Echelle macroscopique Approche multiéchelles Approche macroscopique anisotrope 3 Logiciels! Prédiction du comportement macroscopique + Homogénéisation Propriétés effectives du VER Echelle mésoscopique ~ mm VERs (en fonction de la précision) Outils morphologiques Outils statistiques Echelle microscopique 10 500 µm 8 Analyse d images Echelle de la fibre: taille, orientation, fraction volumique, distribution
Besoins Propriétés de la matrice PA11 Comportement mécanique de la matrice Propriétés mécaniques dans le domaine d application (température, vitesse de sollicitation, environnement de service, ) Rhéologie de la résine dans les conditions de mise en oeuvre Propriétés des charges Fibres de verre Type, taux, taille, densité, caractéristiques mécaniques, 100 80 Glass Fibers (70 GPa) Comportement d une fibre de verre Stress (MPa) 60 40 Modèle élastique linéaire 20 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Strain (%)
Besoins Simulation d injection de la pièce Conditions de mise en œuvre : vitesse, températures matière, outillage, Rhéologie de la résine taux de charge / facteur de forme Orientation des fibres dans la pièce Choix d un tenseur d orientation Dispersion au sein de la microstructure, facteur de forme, Vérification expérimentale par Tomographie RX Peau Cœur Peau
Ajustement des modèles Confrontation simulation-expérimental sur des pièces simples pour affiner les paramètres (coefficient d interaction fibre/matrice, ) 11 Anisotropie de la matrice
Simulation d essais mécaniques Flexion 3 points Simulation injection + cartographie de l orientation 175 150 125 Stress (MPa) 100 75 50 Experimental result Numerical simulation 25 0 0 2 4 6 8 10 Strain (%) Bon accord simulation - expérimental
Prédiction de la rupture Flexion 3 points La simulation n arrive pas à modéliser la rupture de la pièce Limitation au domaine elasto-plastique Pas de prise en compte de l endommagement du matériau
Prédiction de la rupture 60 50 Stress (MPa) 40 30 20 Numerical simulation on sole's behavior 10 0 0 5 10 15 20 25 Strain (%) Mise en place d un protocole d essai pour amélioration de la modélisation de la rupture
Conclusions / Perspectives L approche multi-échelles permet d évaluer la performance d un même matériau dans des géométries / applications différentes Bonne corrélation pour des tests mécaniques simples Mais ne permet pas encore de modéliser la rupture de la pièce L approche multi-échelles permet d évaluer rapidement l influence de changements de géométries, de paramètres d injection, par rapport à une étude expérimentale Nécessite une mise de départ conséquente : données fiables pour les matériaux à tester (résine, charges) Mais ensuite la boucle simulation d injection / homogénéisation / calculs est rapide (quelques heures). L amélioration de la méthode d approche multi-échelles se fera avec l amélioration des modèles utilisés (simulation d injection, simulation mécanique)