Development of Thermosetting Composite Materials for Producing Multifunctional Coatings by Direct Ink Writing

La démocratisation du transport aérien rend accessible tant les contrées éloignées que les grandes villes à un nombre croissant de voyageurs. Au vu des défis environnementaux découlant d'une mobilité accrue, de nouvelles normes internationales assujettissent le domaine de l'aviation civile à d'importantes restrictions quant à la pollution sonore et aux émissions de gaz à effet de serre. Ces normes poussent les fabricants de composantes aéronautiques à concevoir des produits d'ingénierie non seulement plus légers, mais aussi énergétiquement plus performants afin de réduire la consommation de carburant des aéronefs. L'amélioration des turbosoufflantes à haut débit de dilution constitue la clé pour réduire les émissions nocives des avions. Dans la soufflante, il est possible d'optimiser la consommation de carburant en limitant les fuites d'air en bout d'aube. À cet effet, des revêtements de composites thermodurcissables, dits abradables, sont appliquées sur la périphérie intérieure du carter-moteur pour contrôler le jeu fonctionnel entre les aubes et la section stationnaire les entourant. Du même coup, il est envisagé d'intégrer une seconde fonctionnalité aux revêtements abradables, soit de structurer le revêtement de manière à obtenir des réseaux filamentaires ordonnés pouvant atténuer le bruit émis par la soufflante. La fabrication additive est un outil de choix pour mettre en forme de tels revêtements en raison de leur complexité. Cependant, il n'existe pas de matériau qui puisse remplir simultanément la fonction d'abradabilité et celle d'atténuation sonore. Ce projet est donc consacré à l'élaboration de matériaux composites thermodurcissables multifonctionnels pouvant être mis en forme par voie de fabrication additive, ici par écriture d'encre directe à haute vitesse. Le produit abradable commercial couramment employé par Safran, le partenaire industriel de ce projet, n'est pas imprimable en raison du fort taux de microsphères de verre creuses dans le matériau. Le développement du nouveau matériau s'appuie ainsi sur la résine de base du produit commercial sans microsphères ajoutées. Différentes proportions de microsphères et/ou de nanoparticules de silice sont incorporées dans le but d'obtenir des formulations pouvant être non seulement extrudées par les buses de 250 µm, mais lesquelles ont aussi l'habileté de conserver leur forme imprimée pendant que le matériau polymérise et fige. Des observations au microscope électronique et des balayages d'imagerie par rayons-X sont utilisées pour analyser la forme des filaments extrudés ainsi que l'intégrité des microsphères post-impression. À l'issue des observations au microscope, les trois formulations présentant la meilleure fidélité géométrique et intégrité microstructurelle sont retenues.

Abstract

The democratisation of travel gives easy access to both remote regions and densely populated areas, bringing them closer than ever to a growing number of passengers. Considering the environmental challenges arising from increased travel, new international policies impose severe restrictions on commercial aviation with respect to noise pollution and greenhouse gas emissions. These policies push aircraft component manufacturers to design products that are not only lighter but also more energy efficient to reduce aircraft fuel consumption. Optimising the efficiency of high-bypass turbofans is paramount for reducing harmful aircraft emissions. Within the fan region, fuel consumption may be optimised by limiting blade tip air losses. To this end, coatings of abradable thermosetting composites are applied to the inner surface of the fan case to reduce the functional clearance between the blades and the shrouding. In addition, giving a second functionality to the abradable coatings could address noise pollution regulations. The abradable coating would have to be arranged in a porous structure to absorb the noise emitted by the fan. Additive manufacturing is a suitable method for shaping such noise-abating coatings due to their intricacy and fine detailing. However, there is no one material on the market that can simultaneously perform both abradable and sound absorption functionalities. It is therefore the aim of this project to develop multifunctional thermosetting composite materials that can be shaped by additive manufacturing, here by high-speed direct ink writing. The commercial abradable product for the fan case used by Safran, the industrial partner of this project, is not printable due to the high filler loading in the material (hollow glass microspheres). Hence, the development of the new multifunctional material is based on the base resin of the commercial product, without fillers. Different loadings of microspheres and/or fumed silica nanoparticles are added in order to obtain blends which can be extruded by the 250 µm nozzles, and to enable printed shape retention until the part cures. Electron microscopic observations and X-ray imaging scans are used to study the shape of extruded filaments as well as filler integrity. Three best blends are retained for further testing based on their ability to keep a circular filamentary shape and the integrity of microspheres after printing. Rheological characterisations yield a complete flow behaviour model, which combines the effects of polymerisation and shear rate induced by the extrusion process. The models thus established find application for (1) calculating the pressure required for each developed blend to achieve a desired print speed at a known time after material mixing, and (2) predicting the speed maximum printing speed corresponding to the limiting pressure of a given extrusion system.