Contribution à l’étude de l’effet hygrométrique sur l’usinabilité des agrocomposites par approches expérimentale et numérique

Contribution to the study of the hygrometric effect on the machinability of biocomposites by experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Amen Allah Chebbi
• Direction : Mohamed El Mansori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique-Procédés de fabrication (AM)
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique, écoulement, mécanique, matériaux, mise en forme, production (Valenciennes, Nord ; 2010-2014) - Mechanics surfaces and materials processing (MSMP)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Hamid Zaïdi, Abdel Tazibt, Gachot Carsten, Faissal Chegdani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Zaïdi, Abdel Tazibt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage

Thèses et écrits académiques

Hygrométrie

Mots clés libres

Usinage

Hygrométrie

Fibres végétales

Agrocomposites

Modélisation numérique

Machining

Hygrometry

Plant fibers

Biocomposites

Numerical modeling

Résumé

L’usinage des agrocomposites présente certains verrous scientifiques, notamment dans le cas des composites à fibres végétales longues et dont l’usinage reste une étape indispensable dans le processus de fabrication. La complexité de l’usinage des agrocomposites réside dans la structure cellulosique multiéchelle des fibres végétales qui les rend sensibles à l’humidité et capables d’absorber une quantité importante d’eau. Ceci impacte significativement les propriétés mécaniques des fibres ainsi que celles de la structure agrocomposite résultante. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse propose une analyse à la fois expérimentale et numérique de l’effet hygrométrique sur l’usinabilité des agrocomposites. L’approche expérimentale a été réalisée en utilisant un dispositif instrumenté de coupe orthogonale et un agrocomposite en fibres unidirectionnelles de lin et matrice d’acide poly-lactique (PLA). Les échantillons d’agrocomposites ont subi un conditionnement hygrométrique par immersion totale dans l’eau. L’approche numérique a été développée via un modèle bidimensionnel micromécanique de coupe qui a été étendu à l’hygrométrie. Les résultats expérimentaux ont montré que la coupe des agrocomposites présente une dépendance considérable à l’hygrométrie et que différents mécanismes sont mis en jeu en fonction de l’échelle d’analyse et de la durée du conditionnement hygrométrique. Ces mécanismes induits sont observés à la fois au niveau du renfort fibreux végétal ainsi que les interfaces. L’approche numérique de modélisation a permis de reproduire correctement l’effet hygrométrique observé expérimentalement sur le comportement de coupe des agrocomposites après avoir implémenté des termes de dépendance à l’hygrométrie dans les lois de comportement du modèle numérique.

The machining processes of biocomposite materials have shown some scientific barriers, particularly in the case of composites with long plant fibers for which the machining remains an essential step in their production line. The complexity in the machining of biocomposites is mainly related to the multiscale cellulosic structure of plant fibers that makes them sensitive to humidity and able to absorb a significant amount of water. This significantly impacts the mechanical properties of fibers as well as those of the resulting biocomposite structure. Therefore, this Ph.D. thesis work proposes both an experimental and numerical analysis of the hygrometric effect on the machinability of biocomposites. The experimental approach was carried out using an instrumented orthogonal cutting device and a biocomposite made of unidirectional flax fibers and poly-lactic acid (PLA) matrix. The biocomposite samples were subjected to hygrometric conditioning by total immersion in water. The numerical approach was developed via a two-dimensional micromechanical cutting model that was extended to hygrometry. The experimental results have shown that the cutting of biocomposites has considerable dependence on hygrometry and that different mechanisms are involved depending on the scale of analysis and the duration of the hygrometric conditioning. These induced mechanisms are observed at the level of the natural fibrous reinforcement as well as the interfaces. The numerical approach allowed a correct prediction of the hygrometric effect observed experimentally on the cutting behavior of biocomposites after having implemented the hygrometry dependence terms in the constitutive laws of the numerical model.