Analyse des déformations résiduelles dans des pièces composites fortement courbées fabriquées par RTM

Les matériaux composites à matrice polymère thermodurcissable sont de nos jours largement utilisés dans l'industrie aéronautique pour leurs excellentes propriétés mécaniques et leur faible poids. L'introduction de tels matériaux a rendu possible la fabrication de structures de grande taille aux géométries plus ou moins complexes, réduisant ainsi les coûts d'assemblage. Ils remplacent désormais les métaux et alliages dans de nombreuses applications, notamment en ce qui concerne la conception de pièces structurales à haute performance. L'utilisation des composites en remplacement à certains matériaux dépend de la capacité à produire des pièces de qualité et de dimension constante. Cependant, la mise en oeuvre des matériaux composites est plus complexe que celle des métaux et conduit inévitablement à la formation de contraintes résiduelles à l'intérieur des pièces. Dans certains cas, ces contraintes peuvent se manifester par une déformation de la pièce après démoulage, conduisant à de nombreux problèmes à l'assemblage. L'instabilité dimensionnelle constitue donc actuellement l'un des défis majeurs dans l'aéronautique, où des tolérances particulièrement serrées sont requises. Le présent travail se concentre sur le phénomène de retour d'angle qui se développe durant la fabrication de pièces courbes. Les mécanismes affectant ce phénomène sont encore peu compris et les méthodes pour le quantifier restent peu développées. Le niveau des contraintes et des déformations dépend en partie des conditions de mise en oeuvre et donc du procédé utilisé. Ce projet vise en particulier à étudier la déformation de pièces courbes réalisées par RTM. Le procédé RTM représente en effet une alternative moins coûteuse que l'autoclave pour fabriquer des pièces composites à haute performance et de géométrie complexe. De ce fait, ce procédé présente un intérêt croissant pour l'industrie aéronautique et est destiné à se développer davantage dans les années à venir.

Abstract

Thermoset composite materials are nowadays widely used in the aeronautic industry for their excellent mechanical properties and low weight. The introduction of such materials enabled the manufacturing of wide structures with more or less complex geometries, thus reducing the assembly costs. From now on, they replace metallic materials in numerous applications such as high performance structural parts. The use of composite's materials to replace more traditional materials depends upon the ability to fabricate parts of quality and constant dimensions. Yet, the manufacturing of composite materials is more complex than the one of metals and leads inevitably to the formation of residual stresses within the parts. In some cases, these stresses translate into distortions after demolding, leading to assembly issues. Thus, the change in dimensions represents one of the major challenges in the aeronautic field, where tight tolerances are needed. The present work focuses of the spring-in phenomenon which develops during the fabrication of curved parts. There is still a poor understanding of the mechanisms affecting this phenomenon and very few methods have been developed to quantify it. The amount of strains and stresses within the part partly depends on the manufacturing conditions and the process used. This project aims at studying the deformation of curved parts manufactured by RTM. The RTM process represents a cheaper alternative than the autoclave in order to manufacture high performance composite parts with a complex geometry. Hence, this process presents a growing interest for the aircraft industry and is intended to develop more in the years ahead. First, an experimental procedure is developed to manufacture stair- shaped parts of quality with the RTM process. The highly curved geometry of the parts allows comprehending the limits of the process. The issues and difficulties encountered with such a process are described and solutions are suggested. Two resin-reinforcement couples are studied for different curing temperatures and injection pressures.