Préformage de tissus 3D interlock de carbone pour la fabrication de composites en injection flexible

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie aérospatiale pour faire des pièces structurales. Les procédés de fabrication par moulage liquide (LCM), qui consistent à imprégner une résine liquide dans un renfort sec, permettent par exemple de diminuer les coûts de fabrication. Les procédés LCM existants, comme le moulage par transfert de résine (RTM) et l'infusion, présentent toutefois des limitations qui restreignent encore leur champ d'application. Le RTM est par exemple limité par la création de porosités et des vitesses d'imprégnation lentes. L'infusion est encore plus lent que le RTM à cause des faibles pressions d'injection utilisées et peut engendrer des variations d'épaisseur dans les pièces. Le procédé d'Injection Flexible (IF) a été développé pour répondre à ces limitations. Il permet de fabriquer des pièces plus rapidement que le RTM en accélérant notamment l'étape d'injection de résine. Ce procédé permet de plus d'appliquer une pression uniforme sur le composite pendant la polymérisation de la résine, ce qui permet en théorie d'assurer des bas taux de vides dans la pièce finale et donc de bonnes propriétés mécaniques. Pour ce faire, un moule et un contre-moule rigide sont séparés par une membrane flexible, donnant deux cavités. La cavité d'injection contient initialement le renfort sec puis la résine injectée, un fluide incompressible est injecté dans la cavité de compaction pour terminer l'imprégnation. Le préformage est une étape préliminaire à la fabrication avec les procédés LCM qui consiste à donner au renfort sec la forme et l'épaisseur proche de la pièce finale en créant des liens entre les fibres à l'aide d'un tackifiant à base de résine. Le terme « renfort » fait d'ailleurs référence au tissu avant préformage tandis qu'une « préforme » représente son état après cette étape. Il a été montré dans plusieurs études que cette est était nécessaire au procédé IF afin d'assurer la qualité et la répétabilité des fabrications. La compréhension des phénomènes intervenant lors du préformage et de la fabrication était toutefois insuffisante, ce qui ne permettait pas d'ajuster finement une stratégie de préformage à un cas donné. Ce projet de thèse vise donc à améliorer cette compréhension puis définir une stratégie de préformage pour un cas de fabrication réel qui est le carter de soufflante du moteur d'avion LEAP. Cette pièce, développée par le partenaire industriel du projet, est constituée d'une résine aéronautique et d'un renfort 3D interlock de carbone (tissu composé de plusieurs couches assemblées en un seul pli par des fils tissés en direction transverse). Le projet de recherche a été divisé en trois parties.

Abstract

Composite materials are more and more used to manufacture structural parts in the aerospace industry. For example, Liquid Composite Molding (LCM) processes, which consists in impregnating a liquid resin in a dry fabric, are low cost avenues to produce those parts. However, the field of application of existing LCM processes such as Resin Transfer Molding (RTM) and infusion is still restricted by their inherent limitations. For instance, RTM is limited by slow impregnation speeds and creation of porosities. Infusion is slower than RTM because of the low impregnation pressure used in this process and is prone to create thickness variations in parts. Flexible Injection (FI) process has been created to overcome these limitations. It allows producing parts faster than RTM by reducing the resin injection time. Moreover, this process allows applying a uniform pressure on the surface of the composite during resin polymerisation, which tends to reduce void content in the final part and thus improves its mechanical properties. A FI manufacturing system is composed of a rigid mold and countermold that are separated with a flexible membrane, thus creating two cavities. The injection cavity initially contains the dry fabric before resin is injected inside of it, then an incompressible fluid is injected in the compaction cavity to finalise fabric impregnation by resin. Preforming is a manufacturing step preliminary to the manufacturing with LCM processes. It consists in giving to the fabric the shape and thickness as close as possible to the final part. To do this, mechanical links between fibers are created inside the fabric with a resin based tackifier. Thus, the fabric is called a preform after the preforming step. It has been shown in previous studies that this step is necessary to ensure part quality and manufacturing repeatability in FI. However, it was not possible to adjust finely a preforming strategy to a fabrication case because the understanding of the phenomena that occur during preforming and manufacturing were not sufficient. The aim of this doctoral project is then to improve the understanding of those phenomena in order to be able to define a preforming strategy for a real manufacturing case. More particularly, the fabrication of the LEAP aircraft engine fan case is studied. This part has been developed by Safran, the industrial partner of this project, and is constituted of an aeronautical resin and a 3D carbon interlock fabric (which is a woven material composed of several layers assembled together with out-of-plane tows). This research project is divided into three main sections. A preliminary study is described in the first one which consists in identifying the effect of preforming on impregnation quality of FI fabrications and selecting a tackifier adapted to Safran's materials.