Étude des vibrations mécaniques dans la fabrication des composites par injection sur renfort

Liquid Composite Molding (LCM) is a broadly used manufacturing process of composite components that have gained its popularity due to its numerous advantages: emissions-free work environment; ability to produce large, complex and good quality components; excellent high-performance cost ratio. Composite parts manufactured by LCM processes are made from stacked layers of textile reinforcements and a liquid thermoset polymer resin. During manufacturing, the preformed fabric is placed inside the cavity mold before being compacted by the mold clamping force or the vacuum bagging. The resin is then injected or infused under vacuum through the reinforcement until the cavity mold is completely filled. Afterwards, the polymer resin cures and finally, the component is demolded. The present work focuses on the reinforcement response during preforming and compaction stages. Understanding the fabrics behavior under compaction is crucial to predict important features such as the part thickness, the required clamping force, the fiber bed permeability, the filling time and the inter-laminar properties. During the mold closure (i.e., compaction) stage of LCM processes a constant static force or deformation is generally applied to the preform. This compaction provides mold sealing, levels the thickness of the reinforcement, and for high magnitudes, allows achieving high fiber volume contents. The study of the compaction behavior of fibrous reinforcements reveals that preforms exhibit viscoelastic-plastic characteristics, from which it is possible to take advantage in order to attain higher fiber volume fractions without increasing the compressive load. This can be done by applying repetitive loads to the fabrics by means of compaction cycles (high amplitude-low frequency) or vibratory compaction (small amplitude-high frequency) procedures. The present work focuses on the use of vibratory loads to improve the compaction behavior of fibrous reinforcements. Therefore, a dynamic mechanical analyzer (DMA) was adapted so that one may apply controlled vibrations on stacks of fibrous reinforcements from different architectures. Early tests have shown that vibrations improve the fiber network reorganization resulting in high fiber volume fractions with relatively low compaction forces. Further experimental programs allowed identifying the governing parameters on the deformation and translation mechanisms of fibrous reinforcements subject to vibrations.

Résumé

Les procédés de mise en forme des composites par injection sur renfort (LCM – Liquid Composite Molding) sont devenus très populaires grâce à leurs nombreux avantages : milieu de travail sans émissions de COV (Composés Organiques Volatils); idéal pour fabriquer des pièces de grande taille, de géométrie complexe et de haute performance; faible coût de production pour des pièces de bonne qualité. Les composites fabriqués par les procédés LCM sont constitués d'un empilement de couches d'un renfort textile et d'une résine polymérique thermodurcissable à l'état liquide. Durant la mise en oeuvre, le renfort sec est préformé et placé à l'intérieur d'un moule avant d'être compacté par la fermeture du moule ou en effectuant le vide sous une bâche étanche. La résine est ensuite injectée ou infusée sous vide à travers le renfort jusqu'à ce que le moule soit complètement rempli. La mise en oeuvre s'achève lorsque la résine a complètement réticulée et que la pièce est finalement démoulée. Le présent travail s'intéresse à la réponse du renfort durant les étapes de préformage et de compaction. Notons que la compréhension du comportement des renforts sous compaction est très utile lors de la fabrication de composites car elle peut permettre de prédire l'épaisseur finale de la pièce et la force de fermeture du contre-moule, ainsi que de contribuer à calculer la perméabilité du renfort, le temps de fabrication et les propriétés mécaniques inter-laminaires de la pièce. Durant l'étape de la fermeture du moule (i.e., compaction) des procédés de fabrication LCM une pression statique constante est appliquée en général sur le renfort. Cette compaction assure l'étanchéité du moule, sert à uniformiser l'épaisseur du renfort, et lorsqu'elle est élevée, des taux volumiques de fibres importants peuvent être atteints. L'étude de la compaction des renforts fibreux a révélé que les préformes possèdent des caractéristiques viscoélastiques-plastiques dont il est possible de tirer parti pour atteindre des taux volumique de fibres plus élevés sans augmenter la force de compression. Ceci peut être fait en appliquant aux renforts des forces de compaction répétitives au moyen de cycles de compaction (amplitude élevée-basse fréquence) ou des procédures de compaction vibratoire (basse amplitude-fréquence élevée). Le présent travail s'intéresse à l'usage des charges vibratoires pour améliorer la compaction des renforts fibreux.