Contrôle de la fabrication des composites par injection sur renforts

Les procédés de mise en forme des composites par injection sur renforts (LCM) sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des composites à haute performance. Lors d'une mise en oeuvre par les procédés LCM, le renfort fibreux sec est tout d'abord drapé à l'intérieur d'un moule. Après la fermeture du moule ou le recouvrement du renfort par une membrane, une résine polymère est injectée ou infusée sous vide à travers le renfort. Les renforts fibreux couramment utilisés dans les procédés LCM possèdent généralement une structure à porosité bimodale: des pores microscopiques existent entre les filaments dans les mèches de fibres, tandis que des pores macroscopiques sont créés entre les mèches suite à la couture ou au tissage du tissu. À l'échelle microscopique, les forces capillaires à l'intérieur des mèches fibreuses jouent un rôle majeur sur la qualité des composites fabriqués par injection de résine. En effet, les forces capillaires régissent l'apparition de défauts d'imprégnation du renfort par emprisonnement d'air. Ces défauts sont critiques car ils ont un impact négatif sur les performances mécaniques des pièces composites au cours de leur vie en service. Toutefois, très peu de données expérimentales sont disponibles sur la formation de ces défauts microscopiques et macroscopiques. De telles données seraient utiles pour les ingénieurs qui veulent accroître l'efficacité, la productivité et la robustesse des procédés d'injection sur renforts. Par conséquent, une approche expérimentale multi-échelle est présentée dans cette thèse afin de mieux comprendre la physique fondamentale des phénomènes d'imprégnation et d'emprisonnement d'air dans les renforts fibreux à porosité bimodale et ainsi proposer des solutions pratiques pour les ingénieurs en contrôle de procédé. Dans un premier temps, un montage est développé pour étudier la saturation des renforts fibreux à l'échelle macroscopique, durant le moulage des composites par transfert de résine (RTM). Ce montage permet de déterminer les paramètres qui gouvernent la qualité de l'imprégnation des renforts fibreux lors de l'étape du remplissage et pendant les stratégies industrielles de post-remplissage (purge du moule et consolidation). Ces paramètres sont identifiés à l'aide de trois plans d'expérience. Il s'agit de la vitesse d'avancée du front de résine, de la pression appliquée aux ports d'injection et du débit d'écoulement de la résine lors de la purge du moule. L'analyse effectuée dans ces plans d'expérience s'appuie sur une procédure ASTM standard de détermination de la teneur en vides dans les pièces composites par carbonisation.

Abstract

Liquid Composite Molding (LCM) is an increasingly used class of processes to manufacture high performance composites. In LCM, the fibrous reinforcement is first laid in a mold cavity. After closure of the mold or covering of reinforcement with a plastic bag, a polymer resin is either injected or infused under vacuum through the fiber bed. The engineering fabrics commonly used in LCM possess generally dual scale architecture in terms of porosity: microscopic pores exist between the filaments in the fiber tows, while macroscopic pores appear between the tows as a result of the stitching/weaving fabrication process. On a microscopic scale, capillary flows in fiber tows play a major role on the impregnation quality of composites made by resin injection through fibrous reinforcements. Indeed, the capillary forces control the formation of impregnation defects in the fibrous reinforcement as a result of mechanical air entrapment. These defects are critical because they have a negative impact on the mechanical performance of composite parts during their operating life. However, very little experimental data are available in the literature on the formation of these microscopic and macroscopic impregnation defects. Such data would be useful for process engineers that want to increase efficiency, productivity and robustness of LCM processes. Therefore, a multiscale study is presented in this thesis in order to better understand the fundamental physics of impregnation and air entrapment phenomena in dual scale fibrous reinforcements and thus propose practical solutions for process control engineers. First of all, an experimental setup is developed to study the saturation of fibrous reinforcements, at the macroscopic scale, during the Resin Transfer Molding (RTM).This setup is used to determine some key parameters of the part filling step and industrial post-filling strategies (mold bleeding and consolidation) that control the impregnation quality of fibrous reinforcements. These key parameters are identified using three series of experiments. These parameters are the flow front velocity, the inlet mold pressure and the bleeding flow rate. The analyses in these three series of experiments are based on an ASTM standard procedure for void content determination in the composite parts by carbonization (also called loss on ignition (LOI)).