Prédiction des propriétés thermo-élastiques d'un composite injecté et chargé de fibres courtes

par Delphine Dray Bensahkoun

Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux

Sous la direction de Gilles Régnier.

Soutenue en 2006

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    La réalisation des moules pour l'injection des thermoplastiques demande un gros investissement financier ; en conséquence, les industriels souhaitent parvenir à prédire correctement la géométrie finale des pièces injectées. Pour cela, un calcul rhéologique couplé à un calcul thermo-mécanique par éléments finis dans le solide doit être mené et requiert les propriétés du matériau. Aujourd'hui, les propriétés mécaniques des matériaux utilisées dans les codes de calcul ne sont généralement ni thermo-dépendantes, ni directement dépendantes de l'orientation locale des fibres. L'objectif de cette étude est de parvenir à prédire les propriétés élastiques et les coefficients de dilatation de composites injectés et chargés de fibres courtes, en ayant recours à des techniques d'homogénéisation. L'originalité du travail réside dans le fait d'estimer ces propriétés sur une large gamme de température en fonction de l'orientation locale des fibres. Une 1ère partie présente les techniques de mesure de l'état d'orientation des fibres : dans le cas particulier de l'injection où la plupart des fibres sont contenues dans un plan, nous avons mis au point une nouvelle méthode rapide et précise afin de déterminer l'orientation spatiale des fibres. Elle consiste à analyser l'image, prise au microscope électronique à balayage, d'un seul plan de coupe incliné par rapport à la direction d'injection. Dans une 2ème partie, les propriétés thermo-élastiques des composites sont obtenues par le modèle de Mori-Tanaka. Pour tenir compte de l'orientation, plusieurs méthodologies sont évaluées. Finalement, nous proposons d'utiliser une fonction capable de décrire la forme de la distribution d'orientation et dont les paramètres sont identifiés à partir du tenseur d'orientation d'ordre 2. Les prédictions obtenues sont cohérentes avec les mesures de modules d'Young et de coefficients de dilatation.

  • Titre traduit

    Prediction of the thermoelastic properties of an injection molded short-fiber composite


  • Résumé

    The production of molds for injection of thermoplastics is highly expensive, that is why industrialists would like to be able to correctly predict the final geometry of injected parts. To do it, a rheological calculation coupled to a thermo-mechanical calculation by finite elements, which requires the materials properties, must be carried out in the solid. Today, the mechanical properties that are used in the code are generally not dependent on temperature, neither directly dependent on the local fiber orientation. The purpose of this study is precisely to predict the elastic properties, as well as the thermal expansion coefficients of injection molded short-fiber composites, by using techniques of homogenization. The originality of the work is the estimation of the properties over a broad range of temperatures, as a function of the local fiber orientation. A 1st part presents the methods for measuring the fiber orientation state: in the particular case of injection, where the fibers lie as a majority in the injection plane, we have developed a new technique in order to determine the spatial fiber orientation, which is fast and accurate. It consists in analyzing the image, taken with a Scanning Electron Microscope, of a single section plane cut at a certain angle from the injection direction. In a 2nd part, the thermo-elastic composite properties are evaluated by Mori-Tanaka's model. To take the fiber orientation into account, several methodologies are tested. Eventually, we propose to use a function that is able to describe the shape of the orientation distribution and whose parameters are identified from the 2nd-rank orientation tensor. Predictions obtained in this way appear to be consistent with the measurements of Young's moduli and thermal expansion coefficients.

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  • Détails : 1 vol. (185 p.)
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