Développement de la pultrusion thermoplastique de rubans de préimprégnés à 1 m/min

L’étude menée a pour objectif d’augmenter la vitesse de la pultrusion thermoplastique. Le matériau utilisé est un ruban préimprégné de carbone et de polyéthercétonecétone (C/PEKK). Pour réaliser cet objectif, trois axes de recherche ont été définis. Le premier est la conception d’une machine de découpe de préimprégnés. À partir d’une bobine initiale de 308 mm de largeur, la machine doit fournir des rubans à la bonne dimension afin de les faire rentrer dans les filières de pultrusion. La machine de découpe est composée de deux étages afin d’y placer plusieurs bobines. Deux méthodes de découpe sont étudiées : la méthode de découpe par rouleau séparateur et la méthode de découpe par lame. La première méthode utilise le fait que le ruban est composé de fibres unidirectionnelles. Ainsi, une fois entaillées, les bandes se déchirent suivant la direction des fibres. La seconde méthode consiste à placer des lames espacées d’une largeur donnée sur le chemin du préimprégné, ce qui le sépare en plusieurs lamelles. Ces méthodes sont évaluées par une analyse de la variation de largeur des lamelles découpées. Les résultats ont mené au choix d’une méthode de découpe, hybride, combinant les deux solutions. La méthode hybride consiste à utiliser dans un premier temps, la technique du rouleau pour diviser le rouleau initial en quatre en deux étapes. Quatre bobines sont donc obtenues. Dans un second temps, chacune des quatre bobines sera découpée avec la technique de découpe par lame. Afin de valider cette méthode hybride, une analyse de la variation de la largeur des rubans a été menée. Les rubans découpés sur plus de 20 m présentent une variation maximale de largeur de 17 % avec une largeur moyenne de 15.18 mm. Pour s’assurer de la qualité de la matière fournie une analyse de l’épaisseur, du taux de fibre, du taux de vide et du poids surfacique du ruban préimprégné a été menée. L’analyse révèle un taux de vide de 15.56 ± 3% en volume dans le ruban de préimprégné. De plus, son épaisseur mesurée est de 0.220±0.008 mm soit 0.08 mm de plus que celle annoncée par le fabricant, 0.14 mm. Le second axe s’intéresse à la modélisation du transfert thermique lors de la pultrusion. Le but de cette modélisation est de déterminer les consignes de température des filières pour obtenir une chauffe du pultrudat similaire malgré l’augmentation de la vitesse de pultrusion. Le modèle numérique est développé sur Abaqus©. Deux types de transferts thermiques sont utilisés ; un transfert thermique par conduction pour modéliser l’apport de chaleur des filières et un transfert thermique par convection qui permet de modéliser l’impact de l’air et de l’augmentation de la vitesse lors de la pultrusion. Le transfert thermique par conduction utilise deux paramètres : la distance d’influence du transfert et le coefficient de conduction. Le transfert thermique par convection n’utilise qu’un seul paramètre, le coefficient de convection. En tout trois paramètres sont utilisés pour modéliser le transfert thermique de chauffe lors de la pultrusion. Dans un premier temps, les paramètres sont calibrés afin de reproduire les courbes expérimentales de température du composite passant dans les filières. Une fois le modèle ajusté, les températures des filières sont ajustées une à une jusqu’à observer un même profil de température pour toutes les vitesses de pultrusion.

Abstract

This study focused on the development of multi-die thermoplastic pultrusion at 1 m/min. The material used was a carbon fibre prepreg tape, poly-ether-ketone-ketone (APC (CF/PEKK), Syensqo). In order to achieve rapid pultrusion, specific objectives were established. The first objective of this study was the preparation of pre-impregnated tapes for pultrusion. The tapes had to be cut to the correct size to fit into the pultrusion line. To accomplish this, a slitting machine was designed. The machine was capable of cutting and winding the tape with a width of 15.18 mm over 20 m with a maximum width variation of less than 17%. Once the tapes had been cut, an analysis was performed to determine their quality. This analysis revealed an average void content of 15.56 ± 0.3 vol.% of the tapes, indicating that they were not perfectly impregnated. The second objective was to develop a finite element simulation in Abaqus©. This simulation addressed the problem of increasing composite temperature as the pulling speed increased. At high pulling speeds, the composite spent less time in the heated dies, preventing proper heat transfer. One solution to this problem was to increase the temperature of the first dies to ensure that the temperature in the composite rose sufficiently. The simulation was used to predict the die temperature set points as a function of pulling speed, enabling temperature control for high-speed pultrusion. With the correct die temperature, the third objective, to pultrude at 1 m/min was achieved. To enable high-speed pultrusion, certain modifications were made to the pultrusion line. A mobile cooling die was installed at the end of the heated dies. This system allowed the cooling zone to be adjusted to prevent sloughing. A pulling speed of 1 m/min was reached. The pultruded bar was analyzed, and the results were compared with those obtained for pultruded bars at 50 mm/min and 500 mm/min. The analysis revealed a void content of 1.8 vol.% at 50 mm/min and 2.8 vol.% at 1000 mm/min. The thickness values were constant across all three pulling speeds. The surface finish exhibited better performance at 500 mm/min, whereas the values at 50 mm/min and 1000 mm/min were similar. The mechanical properties were also evaluated by flexural tests according to ASTM D790. The maximum flexural modulus of 109.5 ± 1.2 GPa and flexural strength of 1041.6 ± 41.8 MPa were obtained at 50 mm/min, while the minimum values, 106.6 ± 1.8 GPa for modulus and 998.3 ± 58.6 MPa for strength, were obtained at 1000 mm/min. This study demonstrated a method for achieving high pulling speeds in the pultrusion process. Determining the correct die temperature set points to ensure proper composite melting at any pulling speed, combined with the use of a mobile cooling die, proved to be the key to reaching higher processing speeds. Pulling speeds of 1.5 m/min or even 2 m/min were shown to be achievable.