des essais successifs. Cette m´ethode est souvent longue et fastidieuse. Ainsi le temps et le coˆut de d´eveloppement d’une pi`ece peut tr`es vite augmenter suivants la complexit´e. L’inconv´enient majeur de cette approche est que l’on n’a aucune information sur la sensibilit´e des param`etres proc´ed´es. Ainsi `a chaque nouvelle pi`ece il faut reproduire tous les essais.
Pour faire face aux nouveaux d´efis, une approche scientifique tend `a se d´evelopper ces derni`eres ann´ees. Celle-ci vise `a s’appuyer sur les r´ecentes avanc´ees en terme de mod´elisation et simulation des proc´ed´es d’´elaboration. N´eanmoins les simulations num´eriques ne peuvent pas se substituer `
a elles seules aux exp´erimentations. Pour valider et d´evelopper les mod`eles il est n´ecessaire de comparer les r´esultats num´eriques `a des mesures effectu´ees sur le proc´ed´e. Ces mod`eles coupl´es `
a une instrumentation adapt´ee contribuent `a acqu´erir des informations clefs de l’influence des param`etres proc´ed´es sur la qualit´e de la pi`ece finale et ainsi `a rendre le proc´ed´e plus robuste. Dans le futur cette d´emarche pourra aboutir `a des proc´ed´es(( Smart )), par l’interm´ediaire de syst`emes permettant, `a la fois, de suivre en temps r´eel la qualit´e de la pi`ece produite, mais aussi, d’avoir des boucles de contre r´eaction permettant de modifier les param`etres proc´ed´es lors de la d´etection d’une perturbation.
1.6
Contexte et objectifs de la th`ese
1.6.1 Le projet LCM Smart
Cette th`ese s’inscrit dans un projet national labellis´e (( LCM Smart )) par le Fonds Unique Interminist´erielle (FUI). Il a pour objectif le d´eveloppement d’un syst`eme LCM (Liquid Composite Moulding) utilisant une instrumentation par fibre optique, afin d’optimiser les param`etres d’injection de la r´esine `a travers des pr´eformes fibreuses pour la fabrication de pi`eces composites complexes. On entend par pi`eces complexes, des pi`eces dont la g´eom´etrie est d´efavorable `a l’´ecoulement. Il s’agit de pi`eces avec de fortes variations d’´epaisseurs, ou avec des faibles rayons de courbure, ou mˆeme des pi`eces avec des pr´eformes de propri´et´es physiques diff´erentes. Pour r´epondre `a ce besoin, le projet s’appuie sur trois ´el´ements qui sont :
– le d´eveloppement d’outils de simulation num´erique des ph´enom`enes et des proc´ed´es ; – le d´eveloppement d’une instrumentation (( In Situ )) et de moules en composites ; – le pilotage assist´e en temps r´eel.
L’ensemble de ces avanc´ees permettra la conception d’un pilote d’injection de laboratoire (proc´ed´e pilote) et de deux d´emonstrateurs industriels. Le pilote de laboratoire permettra d’´etudier des probl´ematiques cibl´ees li´ees `a l’instrumentation du proc´ed´e et `a la fabrication de pi`eces dont le cahier des charges a ´et´e fix´e par les industriels. Les d´emonstrateurs industriels b´en´eficieront de toutes les avanc´ees technologiques qu’aura apport´e le projet pour la fabrication de pi`eces complexes en mat´eriaux composites.
13 partenaires se sont regroup´es autour de ce projet. Il s’agit d’entreprises renomm´ees pour leurs comp´etences dans la fabrication de pi`eces en mat´eriaux composites, et d’universitaires travaillant sur des probl´ematiques li´ees aux mat´eriaux composites.
Le projet est d´eclin´e en 6 tˆaches, dont chacun des partenaires a en charge tout ou partie. Voici l’ensemble des taches :
– tˆache 1 : D´efinition des d´emonstrateurs
– tˆache 2 : S´election et caract´erisation des mat´eriaux – tˆache 3 : R´ealisation des moules
– tˆache 4 : Validation des capteurs et m´ethodes exp´erimentales
– tˆache 5 : Validation de la m´ethodologie sur d´emonstrateurs de laboratoire – tˆache 6 : Qualification de la m´ethode de pilotage sur d´emonstrateurs industriels
L’ensemble de ces tˆaches est planifi´e sur une dur´ee de 3 ans. Le projet est pilot´e par l’entreprise Hexcel Reinforcement, avec M. Patrick HENRAT, puis M. Frank MEISSIMILLY responsables de projet et M. Alain VAUTRIN responsable scientifique (Ecole des Mines de St-Etienne).
1.6.2 Objectifs
La tˆache 5 de ce projet pose le cadre et les objectifs de la th`ese. Il s’agit de d´efinir et mettre en place un d´emonstrateur pertinent, permettant d’´etudier des probl´ematiques li´ees `a l’´elaboration de mat´eriaux composites, `a travers des g´eom´etries de (( r´ef´erence )). Le pilote permet de mettre en ´evidence la faisabilit´e de l’utilisation d’une nouvelle technologie de capteur `a fibre optique pour le suivi en temps r´eel des param`etres physiques de la pi`ece ´elabor´ee. L’int´erˆet d’une telle instrumentation est d’´etudier l’influence des diff´erents param`etres de fabrication (temp´erature, pression d’injection etc.), et l’interaction outil/pi`ece, sur la qualit´e de la pi`ece finale. Les donn´ees issues des capteurs sont, par la suite, compar´es `a des r´esultats de simulation num´erique du proc´ed´e, r´ealis´ees avec la soci´et´e ESI. Cette d´emarche permet d’enrichir en premier lieu nos connaissances sur les ph´enom`enes qui ont lieu lors de l’´elaboration, notamment par la mesure de param`etres(( in situ )), et ´egalement de valider des outils num´eriques de simulation du proc´ed´e. L’objectif est de travailler sur l’int´egration d’une instrumentation par capteur `a fibre optique au proc´ed´e RTM, `a travers un d´emonstrateur de laboratoire. Il s’agit donc dans un premier temps de mettre en place les ´equipements n´ecessaires `a la r´ealisation de mat´eriaux composites dans des conditions proches des conditions industrielles. Puis dans un second temps, il s’agit de capitaliser les connaissances acquises par le laboratoire sur l’instrumentation par fibre optique, et de d´evelopper avec le laboratoire Hubert Curien (La HC) les capteurs r´epondant au besoin de ce projet.
Une fois la m´ethodologie valid´ee dans le cadre de l’injection d’une g´eom´etrie de pi`ece simplifi´ee. Celle-ci est appliqu´ee `a l’´elaboration de pi`ece de faible et (( forte )) ´epaisseur, afin d’´etudier l’influence des ph´enom`enes exothermiques, puis `a une pi`ece avec une variation d’´epaisseur, dans le but d’´etudier l’influence d’une singularit´e g´eom´etrique couramment rencontr´ee sur des pi`eces complexes.
Enfin, un dernier objectif consiste `a ´etudier la faisabilit´e li´ee `a l’utilisation d’un outillage RTM composite en HexTool avec une instrumentation par fibre optique du moule. L’instrumentation
1.6. Contexte et objectifs de la th`ese
permet ici d’´evaluer les performances thermom´ecaniques de ce type de moule et en particulier de quantifier son influence sur la cr´eation de contraintes r´esiduelles dues `a l’interaction outil/mati`ere.
L’exploitation de ce retour d’exp´erience et des mod`eles num´eriques contribuera `a donner aux industriels de nouveaux outils leurs permettant de d´eterminer les param`etres proc´ed´es plus rapidement. Cela permettra donc de r´eduire les temps de d´eveloppement des nouvelles pi`eces, et par cons´equent leur coˆut de fabrication. Un transfert de cette m´ethodologie d’instrumentation est r´ealis´e sur les deux d´emonstrateurs industriels de ce projet. Il s’agit d’appliquer les solutions technologiques et le savoir faire acquis sur le pilote de laboratoire, pour l’´elaboration de deux pi`eces types regroupant les principales difficult´es rencontr´ees dans le milieu a´eronautique.
1.6.3 Plan de la th`ese
Le chapitre 2 propose une revue des ph´enom`enes mis en jeux par les proc´ed´es d’´elaboration LCM, et des principales probl´ematiques rencontr´ees lors de l’´elaboration des mat´eriaux composites par injection de r´esine.
Le chapitre 3 pr´esente la d´efinition du pilote de laboratoire et de ses outillages, ainsi que les principaux mat´eriaux mis en œuvre dans cette ´etude.
Le chapitre 4 est consacr´e au d´eveloppement des capteurs `a fibre optique de cette ´etude, et `a la description des param`etres proc´ed´es mesurables, en vue de la r´ealisation d’applications de suivi des proc´ed´es LCM.
Le chapitre 5 d´ecrit les mod`eles utilis´es dans cette th`ese pour simuler les diff´erentes phases du proc´ed´e RTM.
Le chapitre 6 pr´esente une application simplifi´ee montrant le potentiel des capteurs `a fibre optique (OFS) pour le suivi de param`etres physiques. Il s’agit d’un suivi des caract´eristiques physiques d’une r´esine thermodurcissable lors de son cycle de r´eticulation.
Le chapitre 7 pr´esente le cas utilis´e pour la validation des ´equipements du pilote de laboratoire ainsi que de la m´ethodologie d’instrumentation. La validation a ´et´e r´ealis´ee sur le cas de la fabrication d’une pi`ece plane de faible ´epaisseur par une injection p´eriph´erique.
Le chapitre 8 est consacr´e `a l’application de la m´ethodologie sur diff´erentes g´eom´etries de pi`eces, permettant de mettre en ´evidence certaines probl´ematiques li´ees `a l’´ecoulement de la r´esine et `a la r´eticulation de la r´esine.
Enfin le chapitre 9 pr´esente une premi`ere application d’un outillage RTM instrument´e r´ealis´e en mat´eriaux composites (HexTool). Le comportement thermom´ecanique a ´et´e ´evalu´e dans les conditions du proc´ed´e RTM. Une comparaison outillage aluminium/composite est r´ealis´ee afin de mettre en ´evidence les diff´erences entre les deux technologies de moule en vue de l’utilisation de moules composites sur les d´emonstrateurs industriels.
2
Les proc´ed´es d’´elaboration composite LCM
Sommaire
2.1 Introduction . . . 22