Compréhension de l’écoulement

Le mode d’imprégnation composite, avec la méthode de fabrication présentée  dans le chapitre précédent, reste peu connu. La  méthode  d’enroulement  utilisée  permet le maintien de la tension des fibres tout au long des phases de fabrication des pièces. Pour maîtriser le procédé de mise en forme, le  mode  d’imprégnation  d’une  fibre tendue doit être identifié et caractérisé ainsi que ses différentes étapes. La réalisation de pièces composites plus complexes peut par ailleurs entraîner des changements lors des différentes  phases  d’imprégnation, en raison des propriétés morphologiques spécifiques demandées, de  l’écoulement  et  des  gradients  qui  en  résultent. Cette méthode permet de qualifier les défauts observables sur les pièces dans le cas d’un enroulement présentant des problèmes d’homogénéité, par exemple. Comme il possible de l’observer, elle a l’avantage d’être visuelle, avant même la réalisation de  mesure, par analyse d’images.  La  création  d’un  gradient  de  taux  volumique  de  fibres  est  présentée dans un second temps afin d’observer  et  de  caractériser  l’apparition  de défauts de remplissage pouvant être également le résultat d’une mauvaise gestion de l’enroulement.  Dans un dernier temps, deux types de remontées de nervure dans l’enroulement cylindrique sont présentées; une nervure circonférentielle intérieure et une nervure circonférentielle supérieure. Ces deux mises en forme rappellent les fonctions du brevet mis en  place  par  le  consortium  EPITHER  au  courant  de  l’année 2015, « procédé de fabrication de pièces en composite », et permettent une première approche vers des fabrications de pièces à morphologies plus complexes et leur faisaibilité.

La fabrication de pièces composites massives, dans le cadre de cette étude, correspond à une succession d’étapes d’enroulement, de consolidation, et de mise en  forme. La compréhension des deux dernières étapes est nécessaire afin de maitriser des séries de mises  en  forme  plus  complexes.  L’étape  de  consolidation  correspond  à  une imprégnation des fibres par le thermoplastique à température de fusion. Cette étape est spécifique à la fois à la matière utilisée, mais aussi au procédé de fabrication car elle dépend des conditions de mise en forme (température, temps, vitesse, effort, etc). La bibliographie, présentée dans les paragraphes suivants, permet : Un certain nombre de différences liées au procédé seront mises en exergue. Le thermoplastique à chaud possède un comportement spécifique, et non linéaire, comme présenté dans la publication de (Shuler and Advani 1996) décrivant le phénomène appelé « squeezing flow »  dans  le  cadre  de  la  mise  en  forme  d’un  composite thermoplastique. Il met en avant le modèle de Carreau décrivant le comportement du PEEK à température de fusion ; il s’agit d’un fluide non newtonien  dont la viscosité varie en fonction du taux de cisaillement lui étant appliqué. Ce modèle est par la suite complété avec une thermo-dépendance nommée Carreau- Yasuda. Dans le dernier chapitre de la thèse est présentée une première implantation d’un modèle Carreau-Yasuda dans un logiciel de simulation.

Cette complexité des écoulements de fluides non-newtoniens dans les milieux poreux, comme celui d’un enroulement de fibres co-mêlées, nécessite la mise en place d’essais  permettant  une  compréhension  et une modélisation phénoménologique de l’imprégnation du composite afin de maîtriser le résultat sur le produit en fonction des paramètres produits et de mise en forme. La réalisation de deux  ensembles  d’essais  interrompus permet ainsi de qualifier et quantifier le mode d’imprégnation spécifique à la consolidation des fibres co-mêlées enroulées, par la mesure des défauts (macroporosités et microporosités), lors des mises en forme. Ces mesures de défauts sont  réalisées  par  analyse  d’images  comme présenté dans le chapitre 2, stipulant les moyens de mise en forme et d’analyse. L’ensemble  de  ces  étapes  d’imprégnation  est  décrite  dans  l’article  de  (Maffezzoli, Gennaro, and Greco 2010), traitant des macros et micros imprégnations dans la fabrication de composites à matrices thermoplastiques (semi-produit fibres co- mêlées). La macro-imprégnation est ainsi décrite comme le passage de matrice à travers  les  torons  de  fibres,  permettant  d’éliminer  les  larges  zones  sèches.  La  micro- imprégnation est décrite comme le passage de matrice  à  l’intérieur  des  torons  de  fibres, autour des fibrilles, permettant  d’éliminer  les  microporosités  et  d’améliorer  le  contact final fibre matrice. L’amélioration de ce contact permet la bonne transition des efforts dans la pièce. Ce mode d’imprégnation est présenté dans la bibliographie dans le cas de consolidation réalisée lors de thermocompression, c’est-à-dire lors de l’imprégnation  de  thermoplastique  à  température  de  fusion  d’un  tissu  composite.  L’exemple bibliographique représentant bien ces différentes étapes d’imprégnation est l’étude  de  (Christmann, Mitschang, and Medina 2015). Les auteurs ont réalisé des essais d’imprégnation non-isobare d’un textile sec, sur lequel est déposée une feuille de thermoplastique. L’ensemble est monté à température de fusion pour être comprimé  afin  d’imprégner le textile de thermoplastique fondu, et former la pièce composite à différentes configurations, comme présenté sur la figure 1, ci-dessous.