Conception et fabrication de l’outil de compaction

Deux techniques ont été énoncées pour la conception de l’outil de compaction. La première consiste à utiliser deux membranes qui appliquent la pression de l’intérieur comme de l’extérieur

Tension circonférentielle Compression radiale

sur la préforme. Cette technique a rapidement été écartée étant donné les problèmes d’étanchéité et de fabrication de membrane qui aurait nécessité beaucoup de travail et très certainement un budget plus important. De même, il n’aurait pas été possible de définir les dimensions de la surface externe car l’application d’une pression ne permet pas d’assurer un déplacement défini à tout endroit sur la hauteur de la préforme de fibre.

La deuxième solution a donc été sélectionnée. Celle-ci est applicable parce que la forme de la pièce est conique (voir Figure 2-5). En faisant descendre un cône rigide à l’intérieur du renfort qui reste fixe, il est possible d’augmenter les diamètres internes de celui-ci. Inversement, en faisant descendre le renfort dans un autre cône rigide et fixe, on diminue ces diamètres externes. La prochaine section décrit la conception nécessaire à la mise en œuvre de cette idée. Plusieurs calculs ont été nécessaires pour dimensionner et mettre en œuvre une solution fonctionnelle.

Figure 2-5 : Concept initial de l'outil de compaction (Ferreirra-Benevides, communication personnelle, 2 juillet 2011).

Préforme de fibres

Cône intérieur

Cône extérieur Force de compaction

2.2.1.1 Compaction interne

La fabrication de la pièce demande une pression de 25 bars sur la surface extérieure pour l’obtention de la compaction désirée après moulage. L’étude de la compaction interne doit permettre d’obtenir les dimensions maximales qu’il est possible d’atteindre. Cette pression a été définie comme la pression de conception. La Figure 2-6 présente les forces en jeu sur la préforme pendant la descente d'un cône rigide à l'intérieur. À ce niveau de pression (Fcompaction), des

problèmes de cisaillement de la préforme dus à la friction (F_Friction) semblent évidents à la descente du cône. Il a donc fallu prévoir un mécanisme de diminution de la friction. Différentes idées, partiellement développées, sont présentées à l’annexe 3.

La solution finale est représentée à la Figure 2-7. Elle consiste à faire descendre un cône d’aluminium recouvert d’une feuille de PTFE de 3 mm d’épaisseur à l’intérieur de la préforme lubrifiée avec de l’eau. Le PTFE a été choisi pour son très bas coefficient de friction et pour sa tenue à haute température. La descente du cône est réalisée avec une presse hydraulique. La préforme est appuyée sur une butée empêchant son déplacement vertical. Des languettes d’acier inoxydable fixées sur une plaque au haut de l’assemblage sont appuyées sur la préforme. Celles- ci sont présentes pour reprendre la composante de friction. Le cône intérieur, lorsqu’il descend, glisse sur ces languettes. Les matériaux en contact lors du glissement sont donc le PTFE et l’acier inoxydable.

Figure 2-6 : Forces sur la préforme soumise à une augmentation des diamètres internes. F_Friction F_Compaction F_{réaction 1} F_{réaction 2 F} réaction 2 F_{réaction 1}

Figure 2-7 : Outil conçu pour étudier la compaction interne des renforts coniques.

2.2.1.2 Uniformisation des diamètres externes

Il est possible que lors de la compaction interne, les diamètres externes puissent venir s’appuyer sur le cône extérieur de l’outil de compaction. Aucune opération supplémentaire ne serait alors nécessaire pour remplir la fonction d’uniformisation des diamètres externes. Dans l’éventualité où ce phénomène ne se produirait pas, une technique de compaction externe a été préparée. L’annexe 3 présente deux idées proposées pour réaliser cette fonction. Parce que les forces en jeu lors de la compaction externe seraient beaucoup plus faibles, aucun système n’a été retenu pour reprendre la composante de friction.

La technique finale d’uniformisation des diamètres externes est représentée à la Figure 2-8. Elle consiste en l’application d'une force à l’aide d’une presse hydraulique sur la surface supérieure de la préforme par l’entremise des cales d’appuis. Cette force fait descendre la préforme dans le cône extérieur fabriqué en aluminium et recouvert d’une couche de PTFE de 3 mm d’épaisseur. La descente de la préforme à l’intérieur du cône réduit les diamètres externes de celle-ci. Une butée est positionnée au bas de l’assemblage. Lorsque la préforme atteint la butée, les diamètres extérieurs désirés sont atteints. La friction s’effectue entre la surface extérieure de la fibre et la

Cylindre de poussée Cône intérieur

Plaque des languettes Cône extérieur Préforme Buté e Languettes d’acier Base de l’outil F_presse

couche de PTFE. Le cône intérieur est positionné dans la préforme de manière à empêcher les fibres de flamber vers l’intérieur.

Figure 2-8 : Technique d’uniformisation des diamètres externes des renforts coniques.

2.2.1.3 Maintien du cône intérieur pour le préformage au four

Afin de réaliser le préformage de la pièce, donc de lui faire maintenir sa forme après compaction, un système de retenue de la préforme et du cône intérieur est prévu (voir Figure 2-9). De plus, l’étape de préformage nécessite une polymérisation de résine à une température de T5°C. Toutes les pièces doivent donc soutenir cette température. L’assemblage ainsi fixé doit aussi respecter des contraintes de dimensions en vue d’entrer à l’intérieur d’un four.

Il existe une valeur de coefficient de friction critique où, pour un angle de cône donné, la composante verticale de la friction est égale et opposée à la composante verticale de la force normale de contact. Ce coefficient est égal à la tangente de l’angle d’ouverture du cône de l’outil 7,02° (θ). La valeur de la tangente est de 0,123.

Comme le coefficient de friction entre la fibre et le PTFE n’est pas connu, deux possibilités ont été anticipées pour le maintien de la préforme en place après l’opération d’uniformisation des diamètres externes. Premièrement, la préforme pourrait remonter par elle-même après l’opération

Cône intérieur Cales d’appui sur la préforme Cône extérieur Préforme Butée Base de l’outil F_presse

(coefficient de friction < 0,123). Ainsi, un système de retenue a été conçu pour la garder en place. Ce système de retenue consiste à laisser la plaque d’appui de la préforme à sa position après la diminution des diamètres et à ajouter des butées s’appuyant sur cette plaque avant le retrait de la force à la presse. La deuxième possibilité propose que le renfort reste pris à l’intérieur de l’outil après l’opération (coefficient de friction > 0,123), il a donc été nécessaire de prévoir aussi une méthode d’extraction. Celle-ci consiste en une plaque qui vient s’appuyer sur les butées à la base de l’outil, des chaines s’y attachent et l’extraction peut être effectuée à l’aide de la presse (voir section 2.2.2.2.1).

La section 2.2.1.5 présente l’essai de friction effectué pour définir les coefficients de friction statique et cinétique du contact entre le PTFE et l’acier inoxydable. Dans ce cas, le coefficient de friction statique est égal au coefficient de friction critique et le coefficient de friction cinétique est plus bas, le cône intérieur remonte vraisemblablement seul après l’opération de compaction interne. Il a donc seulement fallu prévoir un ancrage mécanique pour retenir le cône intérieur. Le système de retenue du cône consiste en un assemblage de maintien qui s’appuie au bas du cône extérieur et qui est relié par des tiges filetées au cône intérieur. Cet assemblage est installé avant le retrait de la force à la presse.

Figure 2-9 : Technique de maintien des dimensions du renfort conique après compaction. Cône intérieur

Butée

Plaque d’appui sur la préforme

Tiges filetées

Assemblage de maintien du cône intérieur

2.2.1.4 Calcul de résistance et fabrication

Une fois les concepts définis, il a été nécessaire de passer à la définition des forces agissant sur chaque composant puis de calculer les contraintes induites par ces forces dans le but de dimensionner les pièces. L’annexe 4 présente un résumé des calculs qui ont été réalisés.

À l’aide de la valeur de pression maximale à atteindre, il a été possible de définir les diagrammes de forces de chacune des pièces. La Figure 2-10 en présente quelques-uns pendant l’étape d’augmentation des diamètres internes. Avec les forces définies, des modèles numériques simulant ces conditions ont été établis afin de dimensionner les composants. Un aperçu de l’analyse du cône extérieur et la plaque des languettes est présenté ici.

Figure 2-10 : (a) Forces sur le cône intérieur, (b) forces sur les languettes et (c) force sur le cône extérieur et la plaque des languettes.

En tirant profit de la caractéristique axisymétrique, un modèle représentant le quart de la pièce a été établi pour le cône extérieur et la plaque des languettes. Le Tableau 2-2 présente les propriétés du matériau de l’outil de compaction. Un coefficient de 1,5 a été sélectionné sur ces limites en tenant compte d’une bonne connaissance des matériaux et du fait que les forces sont connues et mesurées tout au long de l’expérience (« Factor of safety », 2000). La Figure 2-11 présente l’analyse numérique de la première conception à une force à la presse hydraulique de 301,5 kN équivalente à une pression de 40 bars sur la surface interne. Cette valeur avait été sélectionnée au

F_p1 F_presse F_f1 F_f1 F_p2 F_p2 F_f2 F_f2 F_f1 F_t F_p1 F_f1 F_c F_c F_b F_t Fp3 (b) (a) _(c)

début du projet, mais a par la suite été révisée à 25 bars (voir Annexe 4). Les zones rouges comportant des soudures dépassent la limite imposée sur le cône extérieur. De même, la plaque des languettes est soumise à des déformations importantes dues au nombre restreint de boulons la reliant au cône extérieur.

Tableau 2-2 : Propriétés élastiques des matériaux de l'outil de compaction (Aluminium Association, 2005).

Limite élastique à 25°C (MPA)

Aluminium 6061-T6 276

Aluminium 6061-T6, zone à moins

de 25 mm d’une soudure 80

Figure 2-11 : Analyse numérique de la première conception à une force de 301,5 kN à la presse hydraulique (40 bars sur la surface interne).

Un modèle optimisé intégrant 3 boulons par quart de pièce sur un rayon plus large, des raidisseurs et une plaque des languettes plus épaisse (25 mm) a été créé pour diminuer les contraintes et déformations de l’outil. Ce modèle optimisé est présenté à la Figure 2-12. Les

contraintes convergent vers des valeurs respectant le facteur de sécurité sur les deux pièces. Les modifications ont été adoptées.

Figure 2-12 : Analyse numérique de la conception optimisée à une force de 301,5 kN (40 bars sur la surface interne) à la presse hydraulique.

Une fois les calculs finalisés, les dessins de détails de chaque pièce et des assemblages soudés ont pu être réalisés. Une période de demande de soumissions a permis d’identifier les sous-traitants capables de fabriquer ces pièces et par la suite, un suivi de la fabrication a été effectué. La Figure 2-13 présente le cône intérieur pendant l’usinage des diamètres externes.

2.2.1.5 Caractérisation des coefficients de friction

Lors de la compaction interne des préformes fibreuses à l’aide de la presse hydraulique, un glissement se produit entre le PTFE et de l’acier inoxydable. À la descente du cône, l’acier reprend la composante de friction. Or, de manière à obtenir une approximation plus juste de la pression équivalente appliquée sur la surface interne des fibres, il est nécessaire de quantifier l’intensité du frottement à l’interface PTFE-Acier inoxydable. Une caractérisation des coefficients de friction a donc été effectuée pour déterminer les coefficients de frottement statique et cinétique entre les deux matériaux. L’annexe 5 présente le détail des essais de friction réalisés. Ces valeurs ont été utilisées pour les calculs de résistance des matériaux et pour tracer les graphiques de pression à la prochaine section. Les résultats des essais sont présentés au Tableau 2-3.

Tableau 2-3 : Coefficients de friction mesurés entre l’acier inoxydable 316 et le PTFE. Moyenne Écart-type

Coefficient de friction statique ( 0,126 0,0423 Coefficient de friction cinétique 0,034 0,0050