Caractérisation et simulation du procédé d'infusion indirecte de résine pour fabriquer des pièces composites de grande dimension

Wind turbine blades are made of composite materials by a liquid molding process called resin infusion. This process consists of placing a dry fibrous reinforcement in a rigid mold cavity and covering it with a flexible plastic film sealed around its edges. Vacuum is then applied in the cavity to drive the flow of a thermosetting resin that impregnates the preform. A distribution medium, namely a layer of much larger permeability than the preform, can be laid out above the preform to facilitate the resin flow and manufacture large parts such as wind turbine blades. This process is then called “indirect infusion” as opposed to “direct infusion” when no distribution medium is used. Mastering indirect infusion requires understanding the phenomena that govern the impregnation mechanism, a comprehensive characterization of the reinforcing materials and distribution media, and accurate and robust numerical simulations. The experimental approaches currently used to characterize the fibrous reinforcements do not fully reflect the phenomena specific to resin infusion, such as the decompaction of the fibrous reinforcement during filling, and the interaction with the high permeability distribution media. In addition, current process simulation software does not accurately reproduce all the details of resin infusion, and prohibitive calculation times do not allow three-dimensional simulations to be easily carried out to optimize the manufacture of large and complex composite parts. The objective of this research consists of proposing a simple and robust experimental approach to characterize the compressibility and permeability of the fibrous reinforcements used to manufacture wind turbine blades. A simulation strategy for quick and accurate predictions of filling times is also proposed. This thesis begins by presenting the state of the art on the manufacture of wind turbine blades. A scientific literature review then introduces the critical properties governing indirect resin infusion, as well as the theoretical, numerical and experimental aspects of process optimization. The experimental approach is then detailed. It consists of obtaining the compressibility model of the fibrous reinforcement in rigid mold experiments, then its flexible permeability by direct infusion under conditions similar to industrial manufacturing processes. Next, a simple and robust 2D simulation strategy allows identifying the transverse permeability of the preform by reproducing flows in indirect infusion.

Résumé

Les pales d'éolienne sont fabriquées en matériaux composites par un procédé de moulage liquide appelé infusion de résine. Ce procédé consiste à disposer un renfort fibreux sec sur un moule rigide avant de le recouvrir par une pellicule plastique flexible scellée autour du périmètre du moule. Un vide est appliqué dans la cavité ainsi créée et une résine thermodurcissable imprègne alors la préforme sous l'effet du gradient de pression. Quand une couche d'un matériau drainant, c'est-à- dire d'un matériau de perméabilité beaucoup plus grande, est déposée au-dessus de la préforme, ce procédé est appelé « infusion indirecte » par opposition avec l'« infusion directe » en l'absence d'un tel milieu drainant. L'infusion indirecte permet la fabrication de pièces de grande taille comme les pales d'éolienne, mais sa maîtrise implique une compréhension avancée des phénomènes qui gouvernent les mécanismes d'imprégnation, une caractérisation complète des matériaux utilisés, et des simulations numériques complètes, robustes et exactes. Cependant, les approches expérimentales présentement utilisées pour caractériser les renforts fibreux ne reflètent pas fidèlement les phénomènes particuliers à l'infusion de résine, comme la décompaction du renfort pendant le remplissage, et l'interaction avec les milieux drainants de haute perméabilité. De plus, les outils actuels de simulation numérique ne reproduisent pas précisément tous les détails du procédé. Des temps de calcul prohibitifs ne permettent pas non plus de réaliser facilement des simulations tridimensionnelles pour optimiser la fabrication de pièces aussi grandes et complexes comme les pales d'éolienne. L'objectif de cette recherche est donc de suggérer une approche expérimentale simple et robuste pour caractériser la compressibilité et la perméabilité des renforts fibreux utilisés pour fabriquer des pales d'éolienne. Une stratégie de simulation permettant de prédire rapidement et fidèlement les temps de remplissage des pièces est également proposée. Ce mémoire débute par un état de l'art de la fabrication des pales d'éolienne. Une revue de la littérature scientifique illustre ensuite les propriétés critiques régissant le procédé d'infusion de résine, ainsi que les aspects théoriques, numériques et expérimentaux permettant de l'optimiser. On détaille ensuite l'approche expérimentale, qui consiste à obtenir un modèle de compressibilité des matériaux à caractériser en moule rigide, puis à mesurer leur perméabilité dans des conditions reproduisant le plus fidèlement possible le procédé de fabrication industrielle. Ensuite, une stratégie de simulation 2D reproduisant simplement et avec robustesse des écoulements en infusion indirecte permet d'identifier la perméabilité transverse des préformes.