Développement et analyse du procédé d'injection flexible pour la mise en forme de pièces composites fortement courbées

Les polymères thermodurcissables renforcés par des fibres continues possèdent un potentiel unanimement reconnu pour la conception de pièces structurales à haute performance. Au cours des dernières décennies, ces matériaux composites ont notamment avantageusement remplacé les métaux et alliages dans de nombreuses applications aéronautiques. L'utilisation de tels composites reste en revanche limitée dans le secteur automobile. Les procédés de mise en forme usuels nécessitent des temps de cycle relativement longs qui sont en effet incompatibles avec la production en grande série. L'injection flexible est une nouvelle méthode de mise en forme par injection sur renfort. Ce procédé vise principalement à abaisser le temps de fabrication pour augmenter les cadences de production. Le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'un outillage dont la géométrie varie au cours du cycle de fabrication. Le procédé fait ainsi intervenir une membrane flexible et un fluide de compaction permettant d'imposer une déformation contrôlée à une des deux parois du moule. L'injection flexible est développée à l'École Polytechnique de Montréal depuis 2003 au sein de la Chaire sur les Composites à Haute Performance. Les travaux déjà réalisés ont démontré le potentiel du procédé en termes de gain de temps et de qualité d'imprégnation pour des géométries simples. Le présent travail de thèse vise à poursuivre le développement en étudiant le cas particulier d'une géométrie fortement courbée. L'objectif général est d'identifier les paramètres de fabrication importants afin de formuler des recommandations pour l'application future du procédé à des pièces réelles. Le projet a été réalisé en trois étapes principales décrites ci-après. Dans un premier temps, un montage expérimental a été mis au point pour fabriquer un panneau rectangulaire en forme de marche d'escalier. Cette étape a notamment nécessité la sélection d'une membrane flexible ainsi que d'une stratégie d'étanchéité adéquate. Par ailleurs, une procédure de préformage utilisant un agent liant thermodurcissable a été développée pour préparer des préformes fibreuses permettant l'implémentation du procédé à la forme géométrique considérée.

Abstract

Thermosetting polymers reinforced by continuous fibers possess a widely recognized potential for the design of advanced primary structures. Over the last decades, these composite materials have notably replaced metallic materials in many aeronautical applications. The use of such high performance composites is however limited in the automotive industry. Because of the relatively long cycle times required, existing processing techniques are indeed not suited for high production volume. Flexible Injection is a recently proposed Liquid Composite Molding process. The main objective of this method is to increase the production rate of thermoset composites by reducing the overall cycle time. During the manufacturing cycle, the process imposes a controlled deformation to one side of the tooling using a flexible membrane and a compaction fluid. Flexible Injection has been under development at École Polytechnique de Montréal within the Chair on high performance composites since 2003. Past work demonstrated the potential of the process to speed up the manufacturing and ensure a good impregnation of the fibers in the case of simple geometries. In an effort to pursue the development, this thesis studies the specific case of strongly curved geometries. The main objective is to identify the key processing parameters in order to formulate appropriate recommendations for future implementation with real industrial components. Three main stages were carried out during the research. Firstly, an experimental setup has been designed to process a rectangular stair-shaped composite panel. This step required adopting an adequate sealing strategy and selecting an appropriate material for the flexible membrane. Furthermore, a preforming procedure was specially devised to prepare semi-rigid fibrous preforms suited for the desired geometry. The developed methodology was applied to produce a first series of parts out of vinyl ester resin and multiaxial glass fiber fabric. Longitudinal cross-sections of the fabricated specimens were then inspected visually and treated by image analysis to assess the quality of the processing. Results show that the process provides a uniform consolidation of the flat sections along any direction.