Problématique de la mesure de la perméabilité transverse de pre-formes fibreuses pour la fabrication de structures composites

par Romain Nunez

Thèse de doctorat en Mécanique et ingéniérie

Sous la direction de Alain Vautrin.

Soutenue en 2009

à Saint-Etienne, EMSE .

mots clés

• Composites
• Composites à fibres
• Perméabilité

Résumé

L'étude porte sur l'établissement d'une méthodologie de mesure de la perméabilité transverse de préformes fibreuses. Les pièces de grandes dimensions et/ou fortes épaisseurs tendent à être produites par des procédés où la résine liquide s'écoule à travers l'épaisseur d'un renfort sec, sous l'action d'une dépression (Liquid Resin Infusion ou LRI). L'optimisation du procédé exige la connaissance et la maîtrise de la perméabilité du milieu fibreux, ce qui a justifié cette étude. L'analyse bibliographique montre que la mesure de la perméabilité souffre d'une absence de normalisation et d'une description peu précise cette grandeur. Les principaux phénomènes à l'origine de dispersion, le race-tracking et la manipulation des échantillons, perturbent fortement les résultats. Les dispersions moyennes enregistrées par les différents protocoles de mesures employés sont de l'ordre de 20%. De même, le choix des matériaux utilisés varie suivant les publications. On observe une large utilisation des fibres de verre, qui permettent une bonne détection des fronts d'écoulement, mais ne correspondent pas aux fibres utilisées dans les pièces structurales. Concernant le fluide, une incertitude subsiste sur son influence sur les valeurs mesurées et conduit in fine à un panel de fluides très disparate. Enfin la description des protocoles de mesures expérimentales est souvent trop sommaire pour pouvoir comparer les différentes études. Un cahier des charges a donc été mis en place pour définir une méthodologie de mesure précise pour cadrer ce travail. Cette nouvelle approche s'appuie sur un nouveau montage de mesure de la perméabilité transverse, associé à la définition d'un protocole de mesure. Le choix des éléments mécaniques s'est basé sur le respect des dimensions visées ainsi que des conditions générales de sécurité applicables à son utilisation en milieu industriel. L'originalité est de proposer un bon contrôle de l'épaisseur de l'échantillon pendant l'essai et deux chambres co-cylindriques permettant de réduire l'influence du race-tracking. Le protocole de mesure a été spécialement développé pour réduire le nombre de manipulations des échantillons. La chaîne d'acquisition de mesures, outre les mesures de pression et de vitesse habituelles, utilise une méthode de mesure optique de l'épaisseur en temps réel dont les essais de validation ont montré une résolution conforme aux calculs d'erreurs effectués. Dans le but de valider cette approche expérimentale, la répétabilité ainsi que la reproductibilité ont été caractérisées. Le choix du matériau de calibrage s'est porté sur un tissu d'arrachement, dont la rigidité de la structure, due à son motif d'armure toile, limite l'erreur intrinsèque à la nature textile du renfort sur la mesure finale. Les résultats ainsi obtenus estiment la répétabilité et la reproductibilité de cette approche à respectivement 1. 6% et 5. 5%. L'analyse du facteur humain sur les résultats obtenus montre des valeurs moyennes globalement identiques, mais les dispersions enregistrées varient suivant l'expérience de l'opérateur à appliquer le protocole de mesure. Quatre types de renforts fabriqués à base de fibre de carbone ont été testés : un satin de 5 décochement 1, un sergé 2x2, une nappe multi-axiale à base de nappes unidirectionnelles et un tissu appelé quasi unidirectionnel, où les fils de chaînes sont en fibres de verre suivant une contexture très faible. Chacun de ces tissus est caractérisé géométriquement puis testé suivant le protocole établi. Les résultats montrent qu'un tissé possède une plus grande perméabilité transverse que les nappes unidirectionnelles (de l'ordre de deux ordres de grandeur), mais l'ajout de trous de passage, notamment les fils de couture, peut permettre de ramener la valeur de ces derniers au même niveau que les tissés. Concernant la caractérisation de la dispersion, un nouveau paramètre, la densité de points de blocage, associé à la déformabilité du motif d'armure, montre que plus cette densité est élevée, plus les dispersions enregistrées sont faibles. La mesure de la perméabilité transverse de tissés dont la densité de points de blocage est faible sera donc, de par la nature même du renfort, l'objet d'une dispersion importante. Outre le développement et la caractérisation d'une nouvelle approche expérimentale, cette étude a montré que la réduction de la dispersion sur ce type de mesures est difficile, puisque la nature même du renfort induit une grande partie de dispersions observées. La problématique serait d'utiliser des modèles numériques qui puissent simuler cette dispersion en fonction du type de renfort utilisé, en conservant cependant la moyenne obtenue par mesures expérimentales suivant une norme à définir. L'approche expérimentale ainsi que le tissu de calibrage utilisés dans cette étude pourraient ainsi fournir un support bien défini de comparaison.

Titre traduit

Problematic of the through thickness permeability measurement of fibrous preforms for the manufacturing of composite structures

Résumé

This study deals with the reduction of the measurement scatter of the through-thickness permeability of fibrous performs in industrial environment. Now, large-sized or thick composite parts of aircraft tend to be manufactured by forcing the resin through the thickness of preforms, the resin flow being driven by a depression (Liquid Resin Infusion process, or LRI). The optimization of the process requires to assess and control the permeability of the fibrous media. First, the literature shows that the permeability parameter clearly suffers from a lack of standards. The main identified causes inducing some scatter are the race-tracking phenomenon and the sample handling. Present experimental studies reveal a scatter higher than 20% in average on the permeability values. A large panel of materials is used in tests that prevents from any reliable synthesis. We observe a frequent use of glass fibre preforms, which generally allow a good detection of the fluid flow, but extensions to carbon fibres utilized in structural parts might be hazardous. Regarding the test fluid, some doubt remains about its specific influence, that leads to the use of various fluids in papers. Most of the time, the experimental operating instructions are not so clear to allow any inter comparison. This present approach is based on a new through-thickness permeability measurement device, combined with precise experimental operating instructions. The mechanical parts have been designed according to dimensional and safety specifications required in industrial environment. The main advances basically rely on the good control of the sample thickness all along the measurement process and the reduction of the race-tracking effect by using two co-cylindrical fluid chambers. The experimental protocol has been specially developed to reduce the number of operations needed to handle the sample. The fluid pressure, velocity and the thickness of the perform, derived form optical measurements, are continuously monitored. Repeatability and reproducibility tests have been performed to check the experimental approach. A peel ply has been chosen as a reference fabric, because of the rigidity of its plain weave pattern, that reduces the intrinsic error due to the textile feature of the sample. The repeatability and reproducibility have been shown to be 1,6% and 5,5% respectively. The human factor analysis shows that mean values measured by different operators can be very closed, but the scatter is dependant of the user's own experience to follow the guidelines. Finally, four carbon fibre fabrics have been tested : a 5x1 harness satin, a 2x2 twill fabric, a multi axial fabric based on unidirectional fabrics and a quasi unidirectional fabric, with glass fibres along the weft direction. Each of these fabrics has been geometrically defined and tested. Results show that woven fabrics exhibit a lower through-thickness permeability than unidirectional based fabrics (about two orders of magnitude), but adding holes in those latter, like stitching holes, can reduce this difference. Concerning the analysis of scatter, a new parameter, the locking point density, associated with the deformability of the fabric pattern, shows that the higher this density is, the lower the scatter is. The through-thickness permeability measurement of woven preforms with a low locking point density will therefore lead to some scatter of the results. The work reveals that scatter reduction of permeability measurements is still a challenge, because of the intrinsic nature of the textile samples. Links with numerical models that can simulate the structural scatter should be made in the future, the present setup and the reference fabrics would be useful to provide well-based comparisons.