Analysis of Through-Thickness Injection in Liquid Composite Molding Based on Digital Material Twins

Les composites à base de renforts tissés possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles et sont largement appliqués dans les domaines aérospatiaux et automobiles. Leur fabrication par moulage de liquide (LCM) compte parmi les procédés de mise en forme courants. Même après une optimisation continue à travers des décennies de développement, des défauts peuvent exister dans les pièces finales. L'une des raisons principales est que le textile possède une architecture spéciale à l'échelle méso-microscopique, ce qui présente des difficultés dans l'analyse de plusieurs phases critiques de fabrication, comme l'imprégnation et le compactage. En outre, dans le cas des fabrications sous membrane comme dans l'injection flexible par exemple, des défauts peuvent apparaître en raison de flambements locaux de la membrane. Cette thèse vise à combiner des méthodes expérimentales fondées sur la microtomographie aux rayons X avec de nouvelles approches numériques pour construire un système d'analyse multi-échelle d'une série de problèmes mécaniques critiques dans les procédés de moulage liquide LCM. Les différents objectifs ont été réalisés à travers 6 articles présentés dans les chapitres suivants : 1. Une nouvelle approche de modélisation géométrique est développée dans l'article 1 pour générer un modèle mésostructural des renforts fibreux tissé à partir de la microtomographie au rayons X. Cette nouvelle approche appelée «Micro-CT Aided Geometric Modeling» (Micro-CT AGM) permet de créer des modèles géométriques des composites à fibres continues appelés "Digital Material Twin" (DMT), qui fournissent une description morphologique détaillée de la structure mésoscopique des renforts tissés. Un élément original ici consiste à évaluer la précision du DMT au moyen d'une analyse multi-critères. 2. Dans le deuxième article, plusieurs facteurs critiques sont pris en compte, comme la pression d'injection et l'imbrication entre les couches («nesting»), pour améliorer la méthode de mesure de la perméabilité transversale saturée d'un renfort tissé. Les modèles géométriques créés sont utilisés pour simuler l'écoulement à l'échelle mésoscopique et prédire la perméabilité des renforts. Les prédictions numériques réalisés à partir des DMT sont comparées avec succès avec des résultats expérimentaux. 3. L'évolution des caractéristiques morphologiques de la mésostructure d'un renfort tissé pendant la phase de compaction à travers l'épaisseur a été analysée dans les articles 3 viii et 4. Une nouvelle approche de corrélation de points a été développée pour analyser quantitativement la déformation mésoscopique des mèches d'un renfort tissé. 4. Enfin, pour étudier les problèmes de flambement des membranes utilisées dans certains procédés LCM, un modèle réduit fondé sur un développement en série de Fourier est construit dans l'article 5 pour simuler efficacement et avec précision l'ensemble du processus d'instabilité. Le modèle est ensuite amélioré dans l'article 6 pour étudier les mécanismes de flambement d'une membrane circulaire sous diverses charges. En résumé, plusieurs nouvelles approches numériques et expérimentales ont été développées à différentes échelles afin de fournir des outils pour analyser plusieurs problèmes mécaniques critiques dans les procédés d'injection flexible à travers l'épaisseur et sous membrane déformable dans la fabrication des composites à haute performance par moulage liquide LCM.

Abstract

Woven fabric reinforced composites possess outstanding mechanical properties and are thus widely used in the aerospace and automobile fields. Liquid Composite Molding (LCM) has now become a common composite manufacturing process. However, even after decades of development and optimization, defects still exist in final parts. One of the principal reasons is that the textile has a special architecture at the meso-microscopic scale, which makes difficult the analysis of several key stages in LCM such as the impregnation and compaction of the fibrous reinforcement. Besides, problems arising in manufacturing might also lead to defects, such as the wrinkling of the deformable membrane employed in some LCM processes like Flexible Injection for example. The thesis aims at combining advanced experimental testing methods based on X-ray microtomography with novel numerical approaches to conduct multi-scale analyses of critical mechanical issues in LCM processes. The objectives are achieved through 6 articles as follows: 1. Based on Micro-CT scanning, a novel geometric modeling approach was developed in article 1 to generate mesostructural models of woven fibrous reinforcement in the first article, called Micro-CT Aided Geometric Modeling (Micro-CT AGM). A new concept known as "Digital Material Twin" (DMT) is proposed to provide a detailed morphological description of the material structure at the mesoscopic scale. 2. In the second article, several key factors are taken into account to evaluate the transverse permeability of fibrous reinforcements such as the injection pressure and nesting between fabric layers. Digital material twins of different fiber volume contents are constructed to conduct flow simulations in fabrics at the mesoscopic scale and predict the transverse permeability. Numerical predictions of transverse permeability based on DMT are compared with success with experimental measurements. 3. Based on digital material twins, the evolution of the morphological features of fabrics under transverse compaction is studied in articles 3 and 4. A new contour point correlation method is developed to quantitatively evaluate the mesoscopic deformation of fiber tows, which illustrates the effect of material variability on the compressibility of fibrous reinforcements. 4. Concerning membrane wrinkling problems in LCM processes, a reduced model based on Fourier series expansion is constructed in article 5 to efficiently and accurately x simulate the entire instability process. The model is then further improved in article 6 to investigate the wrinkling mechanisms of a circular membrane under various loads. In summary, several numerical and experimental approaches were developed at different scales to provide analytical tools to study critical mechanical issues arising in flexible injection (through the thickness of the composite under a deformable membrane) during the fabrication by LCM. This new approach can improve advanced numerical predictions of composite manufacturing processes based on through-thickness impregnation and contribute to develop more efficient LCM processes with parts of improved quality.