Fabrication par injection flexible de pièces coniques pour des applications aérospatiales

Les matériaux composites sont présents dans les tuyères de moteurs spatiaux depuis les années soixante. Aujourd'hui, l'avènement des tissus tridimensionnels apporte une solution innovatrice au problème de délamination qui limitait les propriétés mécaniques de ces composites. L'utilisation de ces tissus nécessite toutefois la conception de procédés de fabrication mieux adaptés. Une nouvelle méthode de fabrication de pièces composites pour des applications aérospatiales a été étudiée tout au long de ce travail. Celle-ci applique les principes de l'injection flexible (procédé Polyflex) à la fabrication de pièces coniques de fortes épaisseurs. La pièce de validation à fabriquer représente un modèle réduit de pièce de tuyère de moteur spatial. Elle est composée d'un renfort tridimensionnel en fibres de carbone et d'une résine phénolique. La réussite du projet est définie par plusieurs critères sur la compaction et la formation de plis du renfort et sur la formation de porosités de la pièce fabriquée. Un grand nombre d'étapes ont été nécessaires avant la fabrication de deux pièces de validation. Premièrement, pour répondre au critère sur la compaction du renfort, la conception d'un outil de caractérisation a été entreprise. L'étude de la compaction a été effectuée afin d'obtenir les informations nécessaires à la compréhension de la déformation d'un renfort 3D axisymétrique. Ensuite, le principe d'injection de la pièce a été défini pour ce nouveau procédé. Pour en valider les concepts proposés, la perméabilité du renfort fibreux ainsi que la viscosité de la résine ont dû être caractérisées. À l'aide de ces données, une série de simulations de l'écoulement pendant l'injection de la pièce ont été réalisées et une approximation du temps de remplissage calculée. Après cette étape, la conception du moule de tuyère a été entamée et appuyée par une simulation mécanique de la résistance aux conditions de fabrication. Également, plusieurs outillages nécessaires pour la fabrication ont été conçus et installés au nouveau laboratoire CGD (composites grandes dimensions). En parallèle, plusieurs études ont été effectuées pour comprendre les phénomènes influençant la polymérisation de la résine.

Abstract

Composite materials are used in building space rocket motor since the 60's. Recently, the introduction of three-dimensional tissues in composite material fabrication has improved the mechanical properties by reducing the delamination problem. The use of these tissues though requires the elaboration of new and better adapted fabrication processes. Throughout this work, a new process for aerospace application has been studied. This method applies the flexible injection technique (Polyflex process) for the elaboration of conical parts of great thickness. The validation part represents a scale model of a space rocket motor nozzle part. It is composed of a three-dimensional carbon fibre reinforcement and a phenolic resin. The success of the study was defined by several criteria on compaction level and fold formation in the reinforcement and on specific porosity values in the fabricated part. In order to make two validation parts, several steps were necessary. First, to meet the compaction criteria, a compaction tool has been designed and compaction of reinforcement studied. Hence, it helped the understanding of the compaction of 3D axisymmetric reinforcement. Then, the injection technique of the new process has been elaborated. The permeability of the carbon fiber reinforcement and the viscosity of the resin were characterized to validate the concepts used with a numerical simulation of the resin flow inside the mold. The simulation has also given an approximation of the filling time. After this step, the mold has been designed using mechanical simulation in order to validate the strength at the fabrication conditions. Also, specific equipments for the process have been created and upgraded for the installation of the fabrication site. Simultaneously, several studies have been made to comprehend the phenomena influencing the polymerisation of the resin. The trials in DSC (differential scanning calorimetry) and in rheometry have given important information for an adequate processing of the resin. Furthermore, tests on a small mold with a sight glass have shown the influence of the degasing step on the porosity quantity in the parts.