Multiscale Numerical Simulation of Biaxial Braids with Discrete Fibers for Manufacturing Thermoplastic Composite Rods Using Braid-trusion

Peu de techniques entièrement automatisées sont disponibles pour fabriquer des polymères renforcés de fibres. L'une de ces techniques est la braid-trusion thermoplastique, qui combine deux techniques hautement automatisées : le tressage et la pultrusion. Dans le procédé de braid-trusion thermoplastique, un mélange tressé de fibres thermoplastiques et de renfort est tiré dans un moule chauffé pour faire fondre les fibres thermoplastiques. Ce mélange est par la suite solidifié par un moule de refroidissement. Le procédé de braid-trusion thermoplastique est encore en cours de développement et n'est pas largement employé sur le marché. Un obstacle majeur est le manque de simulation permettant de prédire la déformation de la tresse pendant le procédé ainsi que de prédire l'architecture finale du textile. La simulation du procédé braid-trusion est une tâche difficile en raison du processus de formation complexe, de l'architecture complexe de la tresse, de la nature discrète inhérente à plusieurs échelles des fils et des interactions de friction entre les fibres. Ici, nous introduisons une méthodologie de simulation numérique pour le processus de braid-trusion thermoplastique en utilisant un modèle multiéchelle par éléments finis validé expérimentalement. Trois objectifs sont définis pour mener à bien cette recherche. Le premier objectif est de développer une méthodologie de conception simple basée sur la géométrie des tresses biaxiales pour fabriquer une tige thermoplastique tressée en utilisant une ligne de pultrusion à plusieurs moules chauffants. Pour concevoir le procédé, trois paramètres du taux de sur remplissage (taux de reflux excessif de la résine), l'angle nominal de la tresse et la fraction volumique des fibres sont calculés à chaque sortie de moule. Le diamètre de la tresse et la longueur du pas à l'intérieur des moules sont estimés grâce à une relation géométrique de tresse simplifiée. La conception proposée est utilisée avec succès pour fabriquer une tige tressée biaxiale en utilisant des fibres de carbone mélangées à du PEI. La caractérisation microscopique des sections transversales de la tige montre un lit de fibres tressées entièrement imprégné, une zone sans vide et une bonne répartition des fibres. Pour explorer les impacts de la tension de la bobine de fibres, trois expériences avec différente tension de bobine, soit une faible (2.5 N), une modérément élevée (40 N) et une élevée (80 N) sont examinées. La vitesse de procédé est évaluée en réalisant deux expériences avec des vitesses de traitement modérément faibles (50 mm/min) et modérément élevées (150 mm/min). La température du moule de refroidissement est également scrutée en faisant varier trois températures : Tg (température de transition vitreuse du PEI), Tg/2 et Tg/4. Une imprégnation parfaite, une teneur sans vide et un excellent fini de surface sont obtenues avec une tension de bobine de 2.5 N, une vitesse de procédé de 50 mm/min et des températures de refroidissement de Tg/2 et Tg/4.