Fabrication de composites carbone/PEEK par la pultrusion multi-filière assistée par le vide

Les industries automobile et aéronautique sont en constante recherche de matériaux plus légers permettant de réduire la consommation en carburant des véhicules durant leur vie utile. De plus, les préoccupations environnementales forcent maintenant ces industries à prendre en compte le traitement en fin de vie des pièces utilisées. Les thermoplastiques renforcés de fibres sont d'excellents candidats pour répondre à ces objectifs. Leurs haute rigidité et résistance spécifique permettent d'alléger les structures et la possibilité de les thermoformer et de les recycler permet d'éviter de les envoyer dans un site d'enfouissement en fin de vie. Par leur possibilité d'être thermoformés, ces matériaux permettent aussi le développement de nouvelles technologies comme des rivets en polymère renforcé de fibres pour assembler des pièces composites. La pultrusion est un procédé de fabrication de composite de type polymère renforcé de fibres permettant la production en continu de poutres à profil constant. Ce procédé présente un grand intérêt puisqu'il ne nécessite pas d'opérateur après son démarrage. De plus, l'utilisation de matrice thermoplastique en pultrusion permet des cadences de fabrications qui n'ont pas de limites théoriques. Cependant, l'utilisation de fibres fragiles et peu ductiles comme les fibres de carbone rendent le procédé instable. L'endommagement de ces fibres peut causer l'arrêt du procédé par leur accumulation à l'entrée des filières de pultrusion. De plus, l'utilisation d'une matrice thermoplastique de 2 à 3 ordres de grandeur plus visqueuse que les matrices thermodurcissables restreint l'imprégnation du renfort. L'objectif de l'étude est de déterminer les paramètres permettant la fabrication en continu de poutre bien imprégnée en carbone/polyetherethercétone unidirectionnel par la pultrusion. Tout d'abord, un appareil de pultrusion modulaire est mis en place et instrumenté. Ensuite, les facteurs affectant l'endommagement des fils sont étudiés. La tension dans les fils, le type de fil hybride, l'utilisation d'un module de préchauffage par contact, la géométrie des filières et la qualité du bobinage constituent les paramètres qui sont ciblés dans cette étude. Par la suite, deux techniques pour améliorer l'imprégnation sont étudiées. Augmenter le temps sous pression par l'utilisation de plusieurs filières de pultrusion subséquentes et utiliser de chambre à vide entre deux filières de pultrusion pour éliminer l'air emprisonné dans les fils. La température des filières de pultrusion et la vitesse de traction sont aussi étudiées. L'endommagement des fils a été caractérisé en observant la quantité de fibres brisées présentes dans l'écoulement arrière.

Abstract

The automobile and aeronautics industry are in constant seek for lightweight materials allowing to reduce vehicle fuel consumption. Moreover, environmental concerns are now leading these industries towards the analysis of part disposal at the end of their useful life. Fiber reinforced thermoplastics are great candidates to fulfill these conditions. Their high specific strength and resistance allow to reduce the structural weight and their thermoforming and recycling properties allow them to be reused or recycled instead of going to the landfill. Their thermoforming properties enable the development of new technologies like fiber reinforced polymer rivet to join composite parts. The pultrusion is a manufacturing process allowing the continuous manufacturing of constant cross section beams of fiber reinforced plastics. The interest of this process lies in the fact that it does not need an operator once the process is started. Moreover, the usage of a thermoplastic matrix in pultrusion eliminate the theoretical pulling speed limit. However, fragile and non-ductile fibers like carbon fibers make the process unstable. The yarn damage can cause process interruptions if broken fibers accumulate at the entrance of the pultrusion die. Moreover, the usage of thermoplastic matrix, showcasing viscosities 2 to 3 orders of magnitude higher than the viscosity of thermosets, hinders the fiber bed impregnation. The goal of this research project is to find the parameters allowing the continuous pultrusion of well impregnated carbon/polyetheretherketone unidirectional composite. First, a pultrusion apparatus is manufactured and instrumented. Then, the factors having an impact on the fiber damage are investigated. The selected parameters to study are the yarn tension, the type of hybrid yarns used, the usage of a contact preheater, the die geometry and the quality of the fiber winding on bobbins prior to the pultrusion. Two impregnation enhancing techniques are then investigated. The usage of multiple subsequent pultrusion dies to increase the time under pressure, and the usage of vacuum to extract entrapped air in the yarns. The die system temperature and the pulling speed are also investigated. The yarn damage is characterised by observing the quantity of broken fibers in the backflow. The impregnation quality is evaluated by measuring the void content and the in-plane shear strength of the manufactured beams. It was possible to manufacture without interruption and with minimal yarn damage using commingled yarns under a 3 to 5 N tension per yarns. The usage of a contact preheater was found to generate a lot of friction and greatly damaged the fibers.