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Développement d'un système de pultrusion thermoplastique multi-filière pour production de pièces d'intérieur d'aéronef

Félix Lessard

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

In a context of globalization where the demand for air transport is constantly growing, the order books of the main aircraft manufacturers are increasing accordingly. Manufacturing methods typically used in aerospace are suitable for relatively low production volumes. It is becoming necessary to make a transition from these quasi-artisanal methods to manufacturing technologies adapted to higher production volumes. Several components, especially inside the cabin, lend themselves well to production by pultrusion: a method of manufacturing a constant section beam reinforced with unidirectional fibre. For several years, a multi-die thermoplastic pultrusion technology has been developed at the Advanced Composites and Fibre Structures laboratory at Polytechnique Montréal. This technology uses deconsolidation cycles between the dies to produce a composite based on a mixture of carbon fibre and polyetherimide. As part of an international collaborative project, this technology is being investigated and put to use in the production of a complex pultrusion line illustrating an advanced technology readiness level. The first objective of this thesis consists in characterizing the mechanics of deconsolidation in a context of cyclic compaction. Existing studies focus on the deconsolidation of fully saturated composite. In a multiple compaction process, deconsolidation cycles occur while fibre agglomerates are still dry. Compression molding tests are performed on small samples of two commercially available polyetherimide carbon commingled fibre precursors. A numerical model, based on the viscoelastic decompaction of a cylindrical fibre agglomerate, is defined in order to explain the contribution of the different material properties in the deconsolidation process. The microstructure is observed before as well as after deconsolidation while the macroscopic behavior of the composite is measured during a deconsolidation cycle. The components of the microstructure are observed and quantified by micrographic observation combined with an image measurement algorithm. The conclusions of the study, submitted to the journal Composites Part A, show that the amplitude of deconsolidation is dominated by the degree of impregnation. Moreover, the microstructure differs greatly between the two commingled fibre precursors investigated. Of the two precursors, one retains a high fibre volume fraction in the dry portions (58% vs 40%) and a lower total porosity fraction (15% vs 20%) while nevertheless presenting a similar deconsolidation amplitude. This implies different impregnation behaviors and the need to characterize the behavior of the underlying fibre bed structure used in the precursor. The second objective of this thesis consists in proposing a model in order to simulate the rate of impregnation and the pulling force of a multi-die pultrusion system. The multi-die pultrusion technology being very young, few tools are available to study it. Only a handful of studies are published in the literature. A model is thus proposed in order to simulate two of the metrics of interest in pultrusion: the rate of impregnation of the reinforcement and the pulling force generated. The proposed model is supported by a set of experimental data. The study, submitted to the journal Composites Part A, examines the effect of various key parameters in the design of die sequences, namely the die angle, the rate of die reduction and the progression of these factors. The main conclusions of the study relate to the potential for optimizing the die sequence in order to reduce the pulling force required for the same quality of impregnation. Finally, the results of the two published studies are used in the design of a multi-die pultrusion line on an industrial scale. As part of the CRIAQ COMP-1633 project, a demonstrator part is selected, namely a thin-walled tube. Tooling analysis and design work is reported. A thermal simulation methodology is developed and validated on the pultrusion assembly used in the laboratory. The pultrusion tooling is then started. The experimental temperature measurements collected validate the thermal simulation approach presented. The pultruded tube has well-defined walls, thus validating the performance of the cooling system. Analysis of the constituents reveals partial impregnation of the pultrudate produced. Several problems encountered during the operation are documented. However, the nature of the problems encountered and the performance of the system despite them illustrate a real application potential for this technology in industry. The study presented paves the way for new research projects. Some basic assumptions about the beneficial aspect of deconsolidation cycles are explored. More work is needed to verify under what conditions multiple compaction is beneficial. A simulation tool is proposed and demonstrated to be promising. This will allow the design of future multi-die pultrusion tools in a research context. Finally, the pultrusion of a complex part demonstrates the technology readiness level of multi-die pultrusion suitable for a medium-term transition to industry.

Résumé

Dans un contexte de mondialisation où la demande en transport aérien est en croissance constante, le carnet de commandes des principaux fabricants d'aéronefs augmente en conséquence. Les méthodes de fabrication typiquement utilisées en aérospatiale sont adaptées à de relativement faibles volumes de production. Il devient nécessaire d'effectuer une transition de ces méthodes quasi artisanales vers des technologies de fabrication adaptées à de plus hauts volumes de production. Plusieurs composantes, spécialement en intérieur de cabine, se prêtent bien à la production par pultrusion : un procédé de fabrication de poutre à section constante renforcée de fibre unidirectionnelle. Depuis quelques années, une technologie de pultrusion thermoplastique multi-filières a été développée au laboratoire de structures de fibres et de composites avancés à Polytechnique Montréal. Cette technologie exploite des cycles de déconsolidation entre les filières afin de produire un composite à base de fibre mélangée de carbone et polyéthérimide. Dans le cadre d'un projet à collaboration internationale, cette technologie est investiguée puis mise à profit dans la réalisation d'une ligne de pultrusion complexe illustrant un niveau de maturité technologique avancé. Le premier objectif de cette thèse consiste à caractériser la mécanique de déconsolidation dans un contexte de mise en forme cyclique. Les études existantes se concentrent sur la déconsolidation de composite complètement saturé. Dans un procédé à compaction multiple, les cycles de déconsolidation se produisent alors que des agglomérats de fibres sont encore secs. Des essais en moulage par compression sont réalisés sur de petits échantillons de deux précurseurs de fibre mélangée carbone polyéthérimide commercialement disponibles. Un modèle numérique, basé sur la décompaction viscoélastique d'un agglomérat cylindrique de fibre, est défini afin d'expliquer la contribution des différentes propriétés du matériau dans le processus de déconsolidation. La microstructure est observée avant ainsi qu'après tandis que le comportement macroscopique du composite est mesuré durant un cycle de déconsolidation. Les composants de la microstructure sont observés et quantifiés par observation micrographique combinée à un algorithme de mesure par image. Les conclusions de l'étude, soumise au journal Composites Part A, montrent que l'amplitude de déconsolidation est dominée par le degré d'imprégnation. De plus, la microstructure diffère grandement entre les deux précurseurs de fibres mélangées investigués. Des deux précurseurs, l'un retient un haut taux volumique de fibre dans les portions sèches (58% vs 40%) et un plus faible taux total de porosité (15% vs 20%) en présentant toutefois une amplitude de déconsolidation similaire. Ceci implique des comportements à l'imprégnation différents et la nécessité de caractériser le comportement du lit de fibre sous-jacent au précurseur utilisé. Le second objectif de cette thèse consiste à proposer un modèle afin de simuler le taux d'imprégnation et la force de tirant d'un système de pultrusion multi-filière. La technologie de pultrusion multi-filière étant très jeune, peu d'outils sont disponibles afin de l'étudier. Seule une poignée d'études sont publiées dans la littérature. Un modèle est ainsi proposé afin de simuler deux des métriques d'intérêt en pultrusion : le taux d'imprégnation du renfort et la force de tirant générée. Le modèle proposé est supporté par un jeu de données expérimentales. L'étude, soumise au journal Composites Part A, examine l'effet de divers paramètres clés dans la conception des séquences de filière, soient l'angle de filière, le taux de réduction des filières et la progression de ces facteurs. Les principales conclusions de l'étude portent sur un potentiel d'optimisation de la séquence de filière afin de réduire la force de tirant requise pour une même qualité d'imprégnation. Finalement, les résultats des deux études publiées sont mis à profit dans la conception d'une ligne de pultrusion multi-filière à échelle industrielle. Dans le cadre du projet CRIAQ COMP- 1633, une pièce démonstrateur est sélectionnée soit un tube à paroi mince. Le travail d'analyse et de conception de l'outillage est rapporté. Une méthodologie de simulation thermique est élaborée et validée sur le montage de pultrusion utilisée précédemment. L'outillage de pultrusion est par la suite démarré. Les mesures expérimentales de température recueillies valident l'approche de simulation thermique présentée. Le tube pultrudé possède des parois bien définies, validant ainsi la performance du système de refroidissement. L'analyse des constituants révèle une imprégnation partielle du pultrudat produit. Plusieurs problèmes rencontrés durant l'opération sont documentés. Toutefois, la nature des problèmes rencontrés et la performance du système malgré ceux-ci illustrent un réel potentiel d'application pour cette technologie dans l'industrie. L'étude présentée ouvre la voie à de nouveaux projets de recherche. Certaines hypothèses de base quant à l'aspect bénéfique des cycles de déconsolidation sont explorées. Plus de travail est nécessaire afin de vérifier sous quelles conditions la compaction multiple est bénéfique. Un outil de simulation est proposé et démontré comme étant prometteur. Celui-ci permettra la conception de futurs outillages de pultrusion multi-filière dans un contexte de recherche. Finalement, la pultrusion d'une pièce complexe démontre la maturité technologique de la pultrusion multi-filière adéquate pour une transition à moyen terme vers l'industrie.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel and Martine Dubé
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10288/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:57
Last Modified: 07 Oct 2023 01:16
Cite in APA 7: Lessard, F. (2022). Développement d'un système de pultrusion thermoplastique multi-filière pour production de pièces d'intérieur d'aéronef [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10288/

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