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Développement d'une procédure de compensation géométrique d'outillage pour la fabrication de pièces composites à renforts tressés par infusion sous vide

Matthieu Braymand

Master's thesis (2022)

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Abstract

Composite materials are acknowledged to lighten aircraft, giving them a compromise between mechanical performance and weight unreachable by other conventional materials. However, the processing of composite parts, such as carbon fiber reinforced polymer composites, can remain a manual process in the aerospace. It can cause repeatability and process cost issues. Reviewed litterature indicate the potential of braided composites part for aircraft structures. However, braided layup design guidelines for aircraft frames could not be found. The literature review has revealed few models to predict process-induced distortion in braided composites. These models are complex, have long computational times and require a lot of characterization. Process-induced distortions are generally compensated by a trial-error approach, which has often been revealed to be less cost-effective. Besides, the literature does not yet provide a systematic distortion compensation strategy for complex geometries. The general objective of this research is to develop an efficient method to geometrically compensate process-induced distortions of a braided Z frame. The first specific objective is to design a braided Z frame. Typical preimpregnated plies laminates in service have been used as a baseline. Two loading cases have been evaluated, one in traction and the other in bending. A stacking sequence of braids has been determined using a specific methodology. The designed braided frame shows similar performances compared to the reference laminate, being 1.5% less rigid in flexion and 7.8% less rigid in tension. The second specific objective is to develop a finite element thermomechanical model of a composite braided part. It predicts the spring-in of a Z frame. Resin infusion experiments have been done to evaluate the model's accuracy. They have been made using aluminum and 3D printed PEI tools. The model predicts spring-in with the accuracy of 0.1° and 1.2°, for the two evaluated angles. For the cases where the accuracy is 1.2_ the deviation is explained by the presence of a resin-rich area. The third specific objective involves to develop a geometric compensation module of an infusion tooling. This module is an algorithm that uses the developed thermomechanical model. This module has been validated by retrieving the angles of the used tool, with measured data as a target angle. One of the two angles has been recovered with a 0.05° deviation. For the other angle a difference of 1.2_ has been observed. This difference is attributed to the presence of a resin-rich area.

Résumé

Les matériaux composites sont reconnus pour leur contribution à l'allègement des avions, leur offrant un compromis entre performances mécaniques et poids inatteignable par d'autres matériaux conventionnels. Cependant, la mise en forme de pièces en composite, tels que les polymères renforcés de fibres de carbone, est parfois encore un procédé manuel pour l'aéronautique. Cela entraîne des problématiques de répétabilité de procédé et de coût de production. Ainsi, des développements de procédés automatisés ont été initiés comme le tressage. Des recherches montrent le potentiel des pièces structurelles à renforts tressées pour y subvenir. Cependant, aucun empilement de tresses typique pour un cadre d'avion n'a été relevé dans la littérature. À ce jour, la revue de littérature n'a relevé que peu de modèles prédictifs des déformations induites durant la fabrication de composites à renforts tressés. Ces modèles sont lourds et demandent beaucoup de caractérisations. Les distorsions induites par le procédé de fabrication sont compensées en général par une approche essai-erreur, qui peut se révéler onéreuse. La revue de littérature ne montre pas de méthode systématique pour compenser les distorsions géométrique pour des géométries complexes. Pour répondre à ces problématiques, une réponse est proposée dans ce mémoire sous la forme de trois sous-objectifs de recherche. Le premier objectif consiste à concevoir un cadre en Z tressé. Une configuration typique de plis préimprégnés d'un cadre en service a servi de référence. Deux cas de chargements ont été évalués, un en traction et un en flexion. Un empilement de tresses pour un cadre a été établi par une méthodologie spécifique. Ce cadre tressé a des performances analogues à la configuration de référence, étant 1.5% moins rigide en flexion et 7.9% moins rigide en traction. Le second objectif consiste à développer un modèle éléments finis thermomécanique d'une pièce composite à renforts tressés. Il prédit les distorsions angulaires d'un cadre en Z. Des infusions de résine ont été effectuées pour l'évaluer. Elles ont été réalisées sur deux outillages, un en aluminium et un en PEI imprimé 3D. Le modèle a prédit les distorsions angulaires avec une justesse en valeur absolue de 0.1°et 1.2°, pour les deux angles évalués. Néanmoins, pour le cas où l'écart de justesse est de 1.2°, cet écart s'explique par la présence d'une zone riche en résine. Le troisième objectif consiste à développer un module de compensation géométrique d'outillage d'infusion. Ce module prend la forme d'un algorithme qui se couple avec le modèle thermomécanique développé. Il a été validé en retrouvant les angles de l'outillage utilisé avec en angles cibles des mesures d'angles des expériences d'infusion. Un écart absolu de l'ordre de 0.05° pour l'angle A2 et de 1.2_ pour A1 ont été observé. L'écart pour l'angle A1 est attribué à la présence de zone riche en résine.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel and François Lebel
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10298/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:04
Last Modified: 24 Oct 2023 18:03
Cite in APA 7: Braymand, M. (2022). Développement d'une procédure de compensation géométrique d'outillage pour la fabrication de pièces composites à renforts tressés par infusion sous vide [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10298/

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