Analyse expérimentale et modélisation des propriétés mécaniques et de transport de préformes réalisées par placement robotisé de fibres sèches

Experimental analysis and modeling of the mechanical and transport properties of preforms manufactured with robotized placement of dry fibres

• Auteur / Autrice : Mariem Belhaj
• Direction : Christophe Binétruy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 15/10/2010
• Etablissement(s) : Lille 1
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : École des mines de Douai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Matériaux

Microstructure (physique)

Matériaux poreux

Analyse mécanique dynamique

Procédés de fabrication -- Automatisation

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Préformes fibreuses

Résumé

Le procédé de placement robotisé de fibres sèches permet de réaliser des préformes fibreuses par juxtaposition et stratification de fils, destinées à la fabrication de pièces composites structurelles optimisées. Un pilote de laboratoire a été développé afin d’étudier le comportement des fils au cours du processus de fabrication et d’établir des relations entre les caractéristiques physiques de la préforme et des fils utilisés pour la fabriquer. Une étude est réalisée par analyse mécanique dynamique (DMA) sur le fil sec issu directement d’une bobine et sur le même fil après dépose afin de mettre en évidence l’influence du moyen de dépose sur l’orientation des fibres constituant le fil et sur la dispersion des propriétés mécaniques mesurées. Trois types de préforme quasi-isotropiques sont produites présentant chacune une architecture particulière représentative de configurations observables à l’échelle industrielle : nominale, avec des espacements entre fils et avec des recouvrements de fils. L’analyse du comportement en compression transverse des préformes montre qu’elles ont un comportement distinct. En revanche le paramètre de perméabilité hydraulique ne permet pas de singulariser l’architecture des préformes. Dans le but de relier les caractéristiques des fils à celles des préformes et de prédire la perméabilité hydraulique des préformes, leurs propriétés en compaction et les caractéristiques élastiques des composites finaux obtenus, un modèle unifié basé sur un calcul microporomécanique est proposé. Il est basé sur la connaissance des fractions de pores, leur taille et leur forme. Une corrélation satisfaisante est obtenue entre les déterminations expérimentales et les valeurs issues du modèle, limitée toutefois par la précision de définition géométrique des pores. Ces travaux ont permis de définir une méthodologie globale de caractérisation en ligne de préforme basée sur le comportement mécanique en compression du milieu fibreux

Robotized dry fiber placement process allows producing fibrous preforms by successive placement of fibres designed for optimized structural composites manufacturing. A placement tool was developed at the laboratory scale in order to study the fibers behaviour along the manufacturing process and to establish relations between their physical characteristics and those of the obtained preform. A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) study is conducted on the dry fiber drawn directly from the coil and after laying on the mold surface in order to qualify the influence of the placement tool on the filaments orientation in the fiber and on the dispersion of the mechanical properties measured. Three quasi-isotropic preforms are produced with different architectures representative of configurations that could be found in the industry: nominal preform, with overlapping fibers and with openings between fibers. A distinct behaviour during transverse compressive loading is obtained for the three plates. On the contrary, no significant influence of the fibrous architecture on hydraulic permeability was obtained. A microporomechanical model is also proposed to link the fibers characteristics to those of the preforms in order to predict the preforms hydraulic permeability and compaction properties and the final composite elastic properties. This unified model is based on the pores volume fraction, size and shape. A satisfying correlation is obtained between experimental characterization and values retrieved from the model, but limited by the geometrical pore definition precision. The engaged work finally helps defining a global methodology for on-line preform characterization based on the compressive mechanical behaviour of the fibrous preform.