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.