Essais de compaction

Le comportement en compaction du renfort a un impact significatif sur le procédé de fabrication, car il influe sur la compressibilité de la préforme et a des conséquences importantes sur le choix des équipements à utiliser et sur les propriétés mécaniques de la pièce obtenue [CHE06-ROB98]. C’est pourquoi l’étude du comportement en compaction des renforts est importante et a été largement abordée de manière théorique et expérimentale dans la littérature.

Les essais de compaction sur mèches comélées permettront, quant à eux, de définir la forme et d’identifier les paramètres de la loi de comportement à utiliser dans les simulations à l’échelle mé-soscopique. Les principaux résultats de la littérature portant sur la caractérisation du comportement en compaction des mèches sont aussi rapportés dans la suite.

Les essais consistent la plupart du temps en la compaction d’échantillons de mèches ou de renforts (éventuellement plusieurs plis) entre deux plateaux (voir Figure 1.25). Les résultats obtenus représen-tent le plus souvent l’évolution de l’effort ou de la pression de compaction en fonction du de la fraction volumique de fibre. La pression de compaction est calculée par :

𝑃 =𝐹

𝐴 ^(1.21)

Avec 𝐹 l’effort de compaction et 𝐴 la surface de l’échantillon compacté. Pour ce qui est des mèches, la fraction volumique de fibre est donnée par :

𝑉_𝑓 = 𝑆_𝑚𝑎𝑡

𝑆_{𝑚è𝑐ℎ𝑒} ^(1.22)

Avec 𝑆_𝑚𝑎𝑡 la section de matière dans la mèche (voir l’équation 1.4) et 𝑆_{𝑚è𝑐ℎ𝑒} la surface de la sec-tion transverse « occupée » par la mèche. Pour les tissus, la fracsec-tion volumique de fibre est donnée par :

𝑉_𝑓 =𝐴_𝑤𝑛

𝜌𝑡 ^(1.23)

Avec 𝐴_𝑤 la masse surfacique du tissu, 𝑛 le nombre de plis, 𝜌 la densité du matériau constitutif et 𝑡 l’épaisseur (correspondant à l’écartement entre les plateaux de compaction).

Figure 1.25. Schéma d’un essai de compaction de tissu [COM07].

1.7.3.1.Comportement des mèches

Le comportement en compaction des mèches est complexe à appréhender et à modéliser, car il est étroitement lié à de nombreux paramètres. Le matériau constitutif des fibres ainsi que la structure interne de la mèche (orientation, nombre et taille des fibres) jouent un rôle prépondérant. La compac-tion fait en effet intervenir des mécanismes de contact de frottement, de glissement entre fibres ainsi que de la compaction de fibres.

En considérant les mécanismes intervenant au sein des ensembles de fibres au cours de la com-paction, Toll [TOL98] a montré que l’évolution de la pression de compaction d’un ensemble de fibres pouvait s’écrire en fonction de la fraction volumique de fibre sous la forme :

{ 𝑃 = 0 𝑠𝑖 𝑉_𝑓 ≤ 𝑉_𝑓0

𝑃 = 𝑘𝐸_𝑓(𝑉_𝑓^𝛾− 𝑉_𝑓0^𝛾) 𝑠𝑖 𝑉_𝑓 ≥ 𝑉_𝑓0 ^(1.24)

Avec 𝐸_𝑓 le module d’Young des fibres et 𝑘 𝛾 des paramètres dépendants de la nature des fibres et de la manière dont elles sont assemblées. Pour des ensembles de fibres désorganisés, des valeurs de 𝛾 assez faibles (inférieures à 2 ou 3) sont observées. Pour des fibres alignées (rovings), des valeurs de 𝛾 comprises entre 7 et 15,5 ont été obtenues. Wendling [WEN13] a utilisé ce modèle pour la modéli-sation du comportement en compaction de rovings de verre et de carbone. Des valeurs de 𝛾 proches de 14, cohérentes avec celles de Toll, ont été obtenues. Par ailleurs, dans la même étude, l’utilisation de mesures optiques a permis de montrer qu’il y avait un écrasement latéral des mèches, qui reste toutefois très difficile à quantifier précisément, pendant la compaction.

Dans l’étude de Chen [CHE06] un modèle micromécanique est proposé (voir Figure 1.26). Il consi-dère une mèche de section ellipsoïdale et permet d’exprimer l’évolution de l’effort de compression 𝑞 en fonction de l’écrasement de la mèche, du module d’Young axial des fibres et d’un coefficient déter-miné de manière empirique.

Figure 1.26. Modèle micromécanique de compaction de mèche [CHE06].

Dans l’étude de Latil, [LAT11] un ensemble de fibres quasi alignées a été compacté entre deux plateaux. Des images 3D (obtenues par microtomographie) de l’échantillon ont été réalisées au cours de l’essai et ont été utilisées pour étudier la réorganisation de la structure pendant la compaction. La réponse de l’échantillon à l’échelle mésoscopique (évolution de la contrainte de compaction, de la fraction volumique de fibre globale), mais aussi microscopique avec la position, l’orientation, la défor-mation des fibres et l’évolution du nombre de contacts ont été analysées. Les résultats ont entre autres permis de mettre en évidence l’augmentation du nombre de contacts entre fibres et la réorganisation de la structure interne de l’ensemble de fibres. Jeguirim [JEG12] a, quant à lui, présenté quelques ré-sultats expérimentaux sur mèches twistées. Aucun résultat portant sur les mèches comélées n’est dis-ponible dans la littérature.

1.7.3.2.Comportement des tissés

Le comportement typique en compaction d’un renfort est représenté sur la Figure 1.27. De la même manière que pour les mèches, les résultats montrent un comportement non linéaire et une rigidification importante du comportement avec l’augmentation de la fraction volumique de fibre.

Lorsqu’un tissu est compacté, plusieurs phénomènes mécaniques entrent en jeu, notamment de la flexion et de la compaction transverse des mèches [CHE06]. Le comportement en compaction du tissu dépend donc de la nature du matériau, de la structure des mèches, mais aussi de son armure [CHE06].

En début de compaction, le comportement est gouverné par le réarrangement de la structure interne du tissu et le comblement des interstices entre mèches et au sein des mèches. Au fur et à mesure que la fraction volumique de fibre augmente, la porosité tend à se stabiliser et c’est le matériau lui-même qui commence à être compacté [CHE01]. Les essais de compaction cyclique (Figure 1.27.b) montrent

une déformation permanente des tissus après compaction [SOM06-COM07] et un assouplissement en compaction notamment sur les premiers cycles.

Les essais permettent aussi d’identifier un certain nombre de paramètres influant sur le compor-tement d’un même tissu :

 La vitesse de compaction peut avoir un impact sur le comportement mesuré (des phéno-mènes visqueux entrent en jeu) [SOM06] ;

 L’influence de la lubrification qui permet une diminution du frottement entre fibres et réduit les pressions de compaction nécessaires pour atteindre une fraction volumique de fibres donnée par rapport à un tissu sec [COM07] ;

 L’utilisation de vibrations lors de la compaction permet elle aussi de diminuer la rigidité de compaction [KRU08] ;

 Lors de la compaction de plusieurs plis de tissus, pour une même pression de compaction, des fractions volumiques de fibre plus importantes sont atteintes que lors de la compaction d’un seul pli. Ce phénomène peut être expliqué par le nesting (décalage) entre les différents plis. En ce sens, l’orientation des plis joue aussi un rôle sur la rigidité de compaction [NGU13] ;

 Le comportement en compaction est impacté par le cisaillement du tissu [NGU13].

Figure 1.27. Comportement de renforts en compaction : a. Influence de l’orientation des plis [NGU13], b. Essai cyclique [SOM06].

De très nombreux modèles ont été développés pour décrire le comportement des renforts en com-paction [BAT02]. Le modèle de Toll utilisé pour les ensembles de fibres (loi puissance reliant la fraction volumique de fibre et pression de compaction) peut être étendu pour décrire le comportement des tissés [TOL98]. Des modèles basés sur des lois exponentielles de la forme 𝑃_𝑓 = 𝐴𝑒^{−𝑏/𝑉𝑓}sont aussi uti-lisés. Des modèles prenant en compte les phénomènes intervenant au sein des tissus ont aussi été développés. Dans les travaux de Chen [CHE06] par exemple, un modèle mécanique construit en consi-dérant la flexion des mèches et la compaction de leur section transverse a été développé.

1.7.3.3.Conclusion

Les essais sur mèches et tissus seront réalisés grâce à l’utilisation de plateaux de compaction. Si cela s’avère possible, l’étalement des mèches sera mesuré pendant l’essai. Étant donné que lorsqu’on

utilise des tissus 3D, une seule épaisseur est sensée être nécessaire pour l’obtention de la pièce com-posite finale. On se limitera donc à la réalisation d’essais de compaction sur un seul pli de tissu. Le comportement sous sollicitations cycliques des mèches et des tissus sera aussi étudié.