Développement d'outils de prévision de la porosité résiduelle d'origine chimique destinés à l'optimisation des paramètres de fabrication de pièces composites structurales en RTM

L'utilisation des matériaux composites est en constante augmentation depuis les 40 dernières années en particulier dans tous les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatial, notamment pour la fabrication de pièces structurales. Le moulage par transfert de résine (RTM) est un procédé de fabrication qui consiste à injecter de la résine liquide dans un renfort fibreux placé à l'intérieur d'un moule rigide et fermé. Un des inconvénients majeurs de la fabrication avec le procédé RTM est la présence de porosités dans les pièces finales. Ces porosités sont d'origine mécanique (emprisonnement d'air lors de l'imprégnation du renfort fibreux) ou d'origine chimique (volatilisation d'espèces chimiques lors de la cuisson de la pièce). La présente thèse porte sur l'étude de la formation de porosités d'origine chimique dans deux résines thermodurcissables utilisées par le partenaire industriel SAFRAN pour la fabrication de pièces composites structurales. Un des problèmes majeurs des pièces fabriquées en RTM est la présence de porosités dans la structure finale. Celles-ci causent un problème de respect du cahier des charges, mais surtout une diminution des caractéristiques mécaniques de la pièce par rapport à celles calculées pendant la phase de conception. Ces travaux de recherche ont pour but de développer des modèles phénoménologiques, ou du moins des moyens de prévision de la porosité, dont les paramètres seront déterminés de manière simple et rapide par les ingénieurs des services R&D. Ces outils de prévision de la porosité permettront d'obtenir des pièces conformes au cahier des charges et de développer des outillages de fabrication non surdimensionnés comme cela est souvent le cas à l'heure actuelle. Pour ce faire, deux résines différentes ont été étudiées : une résine époxy et une résine phénolique. Comme ces deux résines ont des systèmes de polymérisation différents, ces travaux proposent deux moyens de prévision de la porosité différents, adaptés à chacune des résines. En premier lieu, des études rhéocinétiques ont été faites sur chacune des résines. Par la suite, des analyses ont été faites en TGA sur les résines afin de quantifier la quantité de gaz libérée et de comprendre la manière dont ils sont générés. Enfin, des expérimentations de polymérisation de résine ont été faites dans les mêmes conditions de fabrication qu'une pièce en RTM afin d'observer le phénomène de nucléation/dissolution, l'influence de la température, l'influence de la pression, ainsi que l'influence du taux de conversion.

Abstract

The use of composite materials has been steadily increasing over the past 40 years, particularly in the aeronautic and aerospace areas, especially for the manufacture of structural parts. Resin Transfer Molding (RTM) is a manufacturing process that involves injecting liquid resin into a fibrous reinforcement placed inside a rigid and closed mold. One of the main drawbacks of manufacturing with the RTM process is the presence of porosities in the final parts. These porosities are of mechanical origin (entrapment of air during impregnation of the fibrous reinforcement) or of chemical origin (volatilization of chemical species during curing of the part). This document deals with the formation of porosities of chemical origin in two thermosetting resins used by the industrial partner SAFRAN for the manufacture of structural composite parts. One of the main difficulties with manufacturing composites by RTM is the presence of porosities in the final structure. Not only is this a problem for required specifications, but also, it causes a decrease in the mechanical characteristics of the part compared with those calculated during the design phase. This research aims at developing phenomenological models, or at least tools for predicting the porosity, whose parameters will be determined in a simple and fast way by R&D engineers. These porosity prediction tools will make it possible to obtain parts that comply with the specifications and to develop non-oversized manufacturing tools, which is often the case in the industry. For this purpose, two different resins were studied: an epoxy resin and a phenolic resin. Since these two resins have different polymerization systems, this work proposes two different tools of predicting the porosity, adapted to each of the resins. First, rheo-kinetic studies were carried out on each of the two resins. Subsequently, TGA analyzes were performed on the resins to quantify the amount of gas released and to understand how they are generated. Finally, resin polymerization experiments were carried out under the same process conditions as an RTM part in order to observe the nucleation/dissolution phenomenon, as well as the influence of temperature, pressure, and conversion level These observations were made using a laboratory RTM mold equipped with a window which allows real-time observation. Finally, the data collected and the observations made in the previous points allowed establishing tools for controlling the porosity, taking into account the process parameters such as time, temperature and pressure. This thesis contains three scientific articles.