Modélisations du procédé de placement de fibres composites à matrice thermoplastique

par Anaïs Barasinski

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Arnaud Poitou.


  • Résumé

    Le procédé de placement de fibres thermoplastiques permet de fabriquer des pièces composites de grandes dimensions ayant toutes sortes de géométries (double courbure par exemple). Ce procédé est basé sur le soudage continu par fusion d’un pli composite à matrice thermoplastique sur un substrat. Il reçoit un intérêt croissant au cours des dernières années en raison de sa capacité à réaliser des pièces hors autoclave. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet aéronautique qui vise à comprendre et développer ce procédé de dépose automatisé en étudiant l’histoire thermo-mécanique de la matière au cours de la dépose, le champ de contraintes résiduelles dans la pièce après fabrication et la capabilité du procédé pour un soudage in-situ. Cette étude permet d’autre part de contribuer au développement de la tête de dépose. Afin de contrôler et d'optimiser la qualité de la pièce fabriquée, la prédiction de l’histoire thermo-mécanique appliquée durant la fabrication du stratifié est nécessaire. Dans ce travail, une modélisation thermique originale de ce procédé est proposée. L’adhésion interplis évoluant au cours de la mise en forme et ayant une influence significative sur les transferts thermiques, ce paramètre est intégré dans le modèle au moyen de résistances thermiques de contact évolutives. Les résultats numériques sont validés par des mesures expérimentales. En raison de la géométrie particulière du problème (fines bandes de pré-imprégnés de grande longueur), une méthode de résolution numérique PGD ou (Proper Generalized Decomposition) est utilisée. Cette méthode permet de contourner les problèmes liés au grand ratio existant entre la longueur de matière et son épaisseur. Elle permet par ailleurs de prendre en compte de nombreux paramètres (matériaux, ou procédés) comme extra coordonnées du modèle. Finalement, différentes fenêtres procédé, adaptées au niveau de spécifications requis sur la pièce, sont définies. Les questions de maximisation de la cristallinité et minimisation des contraintes résiduelles sont abordées afin de pouvoir s’approcher du procédé in-situ recherché

  • Titre traduit

    Modeling of thermoplastic tape placement


  • Résumé

    Thermoplastic automated tape placement process allows the manufacture of large composite parts with all kinds of geometries (eg double curvature). This method is based on the continuous welding by fusion bonding of a thermoplastic matrix composite ply on a substrate. It received an increasing interest in recent years due to its ability to produce parts out of autoclave. This study is part of an aeronautic project that aims to understand and develop this automated deposition process through the study of the thermo-mechanical history of the material during its deposition, the residual stresses in the workpiece after manufacturing and the process capability for in-situ welding, while contributing to the development of the deposit head. In order to control and optimize the quality of the part, the prediction of the thermo-mechanical history applied during the manufacturing of the laminate is required. In this work, an original thermal modeling of this process is proposed. The bonding degree evolves during the deposition and has a significant impact on heat transfer, this parameter is included in the model using evolving thermal contact resistance. The numerical results are validated by experimental measurements. Due to the particular geometry of the problem (thin pre-impregnated tape of great length), a numerical PGD method (Proper Generalized Decomposition) is used. This method overcomes the problems associated with large ratio between the length of material and its thickness. It also allows to take into account many parameters (material, or process) as extra coordinates of the model. Finally, various process windows, appropriate to the level required specifications on the part, are defined. Questions related to the maximization of the crystallinity and the minimization of residual stresses are discussed in order to approach the one-step process sought.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (vi-102 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.97-102

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