Etude de la consolidation interpli de stratifiés thermoplastiques PEKK/fibres de carbone en conditions de basse pression

Study of the interlaminar consolidation in vacuun-bag-only manufacturing of carbon/PEKK laminates

• Auteur / Autrice : Florence Saffar
• Direction : Chung Hae Park
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 20/11/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Onera - IMT Lille Douai
• Jury : Président / Présidente : Colette Lacabanne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Beauchene
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Bernhart, Didier Delaunay

Mots clés

Mots clés libres

Procédés hors-Autoclave (OoA)

Consolidation interpli

PEKK/fibres de carbone

Stratifié thermoplastique

Instrumentation de suivi de consolidation

Optimisation de procédés

Vacuum-Bag-Only (VBO)

Interlaminar consolidation

PEKK /carbon fibers

Thermoplastic laminates

Consolidation set-Up monitoring

Process optimization

Résumé

De nouveaux modes d’élaboration de pièces composites à matrice thermoplastique sont actuellement étudiés, par le milieu aéronautique, afin de remplacer le procédé autoclave, qui est coûteux et limite les cadences de production. Ainsi cette thèse a pour objet l’étude des phénomènes de consolidation interpli dans le cas d’élaborations basse pression. Dans ce but, deux systèmes de fabrication sont développés : l’un en étuve et l’autre sur plateau chauffant. Ces deux dispositifs permettent à la fois de définir les paramètres procédés optimaux pour assurer une bonne consolidation interpli, et de réaliser un suivi d’élaboration grâce à des mesures de variations d’épaisseur, de gradient thermique et de pertes de charges. Les matériaux utilisés sont des pré-imprégnés unidirectionnels thermoplastiques haute performance (PEKK/fibres de carbone). Une partie de ce travail est consacrée à la caractérisation de la matrice, peu étudiée dans la littérature, et à l’influence des paramètres matériau sur la qualité de l’élaboration. Deux événements de consolidation interpli sont identifiés au cours de cette étude : l’un à la température de transition vitreuse (Tg) et l’autre à la température de fusion (Tm). Ils sont respectivement associés aux phénomènes de mise en contact des plis et d’écoulement de l’ensemble fibres/matrice. Une simulation de ces étapes de consolidation est également proposée. La mise en contact des plis est notamment décrite par une évolution de la résistance thermique de contact et par un aplanissement des aspérités de surface. L’écoulement à Tm permettant la réduction du taux de porosité aux interplis est, lui, modélisé à partir des propriétés rhéologiques du matériau déterminées expérimentalement.

New manufacturing technologies of thermoplastic composite parts are being developed in order to replace the autoclave molding which requires higher manufacturing costs and longer processing time. In this context, the subject of this thesis is the study of the vacuum-bag-only (VBO) consolidation for thermoplastic (PEKK)/carbon fibers laminates. In this work, two kinds of heating method are considered: the one in an oven and the other on a heating plate. Firstly, we investigate the influence of the process on the consolidation quality. The second step of this thesis is to understand and interpret the interlaminar consolidation phenomena. For that purpose, an in-situ monitoring system has been developed to record the evolution of the laminate thickness, of the temperature gradient and of pressure losses during the whole consolidation cycle. Using these systems two major consolidation phenomena have been identified. The first one takes place at the glass transition temperature and corresponds to the establishment of intimate contact between the adjacent layers. The second one happens at the melting temperature and is associated with the flow of the molten material. The final third step is the integration of these consolidation phenomena into a FEM model. The intimate contact establishment is simulated by an improvement on the thermal contact resistance at the interlayers and by a flattening of the prepreg asperities. The melted composite behavior is described by a Carreau fluid which parameters have been experimentally identified.