Pour obtenir des résultats pertinents, il est important de bien cerner les connaissances déjà existantes d’où ce travail bibliographique. Afin de satisfaire aux exigences des exploitants (critères économiques) et à ceux de la législation (critères sécuritaires et techniques), il était utile de rappeler les enjeux du projet actuel pour la société partenaire (Chapitre 1) et les contextes dans lesquels s’inscrit cette étude, puis de mettre en évidence un certain nombre de spécificités liées au procédé d’enroulement filamentaire (Chapitre 2), surtout pour les matériaux composites. Ainsi, une description plus détaillée a été faite pour le procédé de mise en œuvre, les paramètres de l’enroulement et leur influence sur la structure et sur les propriétés, les types d’enroulement et plus spécifiquement l’enroulement des matériaux sandwich. De même, on s’est intéressé à l’effet du procédé de fabrication sur les matériaux fabriqués.
Pour cela, une introduction générale aux composites a été faite (Chapitre 3) avec une présentation plus détaillée des matériaux sandwich, leurs domaines d’application et les différents essais mécaniques susceptibles de caractériser ce type de matériau. En même temps, on s’est focalisé sur les comportements mécaniques des matériaux sandwich pour comprendre ce type de matériaux et bien analyser, par la suite, les endommagements générés. Une synthèse de quelques méthodologies existantes qui concernent l’analyse du comportement des matériaux sandwich a été faite. Il est nécessaire de connaître leur comportement mécanique afin d’exploiter entièrement toutes leurs possibilités.
La synthèse bibliographique présentée dans cette partie montre que la technique de l’enroulement filamentaire semble être un moyen adapté à la fabrication des structures courbes en sandwich et que ces matériaux innovants connaissent un essor important, tant dans les applications les utilisant, que dans les technologies les mettant en œuvre. Leurs avantages résident principalement dans la forte rigidité en flexion, l'excellente résistance à la fatigue, l'isolation thermique et le faible poids. Ces derniers ont poussé beaucoup d’industries de transport telle que l’automobile et le ferroviaire à s’y intéresser. Le seul problème est leur mode de rupture ou de ruines qui reste imprévisible : indentation du cœur, cisaillement du cœur, rupture des peaux ou dégradation de l’adhésive.
Pour ce faire, la démarche adoptée dans notre étude se décompose en deux parties distinctes. La première concerne le « Procédé d’enroulement des structures sandwich » et la deuxième porte sur la « Caractérisation expérimentale des matériaux ».
En s’appuyant sur la revue bibliographique, la première partie de la démarche proposée consiste à valider les matériaux choisis, en fonction de la solution d’enroulement adoptée. Pour cela, une étude de solutions possibles pour l’enroulement des sandwich est menée dans le but d’optimiser le processus industriel et proposer des solutions pertinentes de fabrication par enroulement filamentaire.
Les types de matériaux candidats ainsi que leur méthode de fabrication optimisée étant définis, la seconde partie de cette démarche a pour but de justifier le choix des matériaux composites choisis pour fabriquer la citerne en déterminant leurs propriétés mécaniques à travers la réalisation d’une série d’essais de traction perpendiculaire, de flexion trois ou quatre points, de compression perpendiculaire et longitudinale et d’impact à basse vitesse. D’une part, ces essais ont pour but d’identifier les caractéristiques de la structure sandwich qui a un comportement de type orthotrope et, d’autre part, les valeurs à la rupture qui sont les contraintes à la rupture et les déformations à la rupture. En parallèle, une étude expérimentale de l’endommagement est abordée pour pouvoir analyser la dégradation des matériaux lors des sollicitations mécaniques. Après une brève description générale de l’endommagement des composites, les différents mécanismes d’endommagement identifiés sur des éprouvettes déjà sollicitées sont présentés. L’enjeu de cette étude est de comprendre la cinétique d’endommagement du matériau pour dresser la chronologie d’apparition des mécanismes. Pour y parvenir, deux démarches sont adoptées pour suivre cette évolution des phénomènes d’endommagement : il s’agit des observations in situ par caméra au cours de l’essai et du suivi des essais par la technique de l’émission acoustique pour détecter et enregistrer, en temps réel, les signaux associés à ces modes de dégradation du matériau.
Partie 2
Procédé d’enroulement des
structures sandwich
Partie 2. Procédé d’enroulement des structures sandwich
Sommaire
Chapitre I. Introduction ... 64 Chapitre II. Règles de conception ... 65 Chapitre III. Proposition et étude des solutions d’enroulement ... 69 Chapitre IV. D’un cas test au laboratoire vers une structure industrielle ... 98 Chapitre V. Conclusions de la partie ... 113
Chapitre I.
Introduction
L’industrie des matériaux composites, bien que relativement récente, n’a cessé de croître et d’innover, de par les gains qu’apportent ces matériaux notamment du point de vue de l’allègement des structures afin de réduire les émissions de polluants par exemple dans le domaine des transports. Pour rester compétitif, la conception et la réalisation de pièces optimisées nécessitent un contrôle précis des procédés de mise en forme. Cette maîtrise passe par une connaissance de plus en plus fine des phénomènes physiques se déroulant au sein des pièces lors des différentes étapes menant à leur mise en forme. De plus, la forte activité a conduit à l’émergence de nouveaux procédés et à des besoins de cadences de plus en plus importantes. Cependant, les procédés de mise en œuvre de pièces structurales disponibles actuellement génèrent des cadences de production plutôt limitées à quelques pièces par jour dans le meilleur des cas. Il est donc important dans le processus d’innovation d’intégrer le facteur temporel pour rester compétitif sur le plan industriel.
Ce projet vise à développer des technologies efficaces en vue de réaliser des structures composites sandwich, plus légères, plus grandes, avec un niveau de stabilité équivalent et ce, à l’échelle industrielle. Il est prévu à ce titre d’utiliser des matériaux composites à renfort de fibres de verre et à matrice en mousse comme par exemple celles en PET, PU ou PP, afin de constituer le noyau de la structure sandwich. Les faces de la structure globale, dites peaux, vont être en matériaux composites à fibres longues.
L’intérêt du projet sera porté par la réalisation de structures d’un seul tenant qui offre de nombreux avantages pour les fabricants des citernes en composites. Tout d’abord, les structures composites sandwich fabriquées d’un seul tenant sont, d’une part, plus stables mécaniquement, d’autre part, elles résistent mieux aux écarts de pression. Le choix d’utiliser des matériaux composites sandwich permet par ailleurs de gagner en légèreté par rapport à des structures monolithiques traditionnelles à performances mécaniques équivalentes. En outre, l’utilisation de mousses flexibles permet de renforcer la structure sandwich de manière plus efficace, procurant à l’industriel une marge de liberté plus conséquente tant au niveau de la conception que des propriétés mécaniques. Plus légères, plus stables, plus flexibles, l’utilisation de structures composites contribuera de manière significative à l’amélioration intrinsèque de la compétitivité de ce type de structures. En plus il faudra prendre en compte la dimension logistique (supply chain, approvisionnement en Europe…) dans le cadre du projet.
L’objet de cette partie est donc d’étudier des conceptions possibles d’enroulement de matériaux sandwich afin de choisir la solution la plus adaptée industriellement pour la fabrication de la citerne en composites chez le partenaire du projet Plasticon Composites. Ce choix doit respecter certains critères de conception bien définis pour avoir la meilleure solution qui répond bien aux besoins du projet.