Chapitre 3 : Conception en matériau composite du segment du bras robotique
3.3. Conception et optimisation du matériau composite
3.3.1. Détermination des propriétés des matériaux constituants
3.3.1.2. Module d‟Young des matériaux constituants
1.133 0.019( / )
époxy époxy Uépoxy g cm (3.43)
On voit que le résultat expérimental s’accorde au résultat donné par le manuel avec une bonne précision.
3.3.1.2. Module d’Young des matériaux constituants
3.3.1.2.1. Fibres
Le dispositif mis en place pour la détermination du module d’Young des fibres est présenté à la Figure 3.9. Le système comprend un ordinateur sur lequel est installé un logiciel de pilotage et une machine d’essai INSTRON 5543 équipée de capteurs de force et de déplacement.
Chapitre 3 : Conception en matériau composite du segment du bras robotique
L’essai de traction est utilisé pour déterminer le module d’Young des fibres. D’abord, les éprouvettes ont été préparées. Les fibres testées doivent être des fibres élémentaires, il faut donc que les fibres soient bien choisies et séparées à partir des tissus.
Le protocole d’essai est le suivant :
Mesurer le diamètre de la fibre grâce à un microscope. Le microscope prend une image de la fibre. Le diamètre de la fibre est calculé en fonction de la dimension sur l’image et de la résolution du microscope.
Coller la fibre sur un cadre en papier.
Mettre le cadre dans les mors de la machine INSTRON 5543 pour que la fibre soit verticale. La distance entre deux mors est d’environ 10 mm. Puis couper les deux bords du cadre.
Choisir l’essai de traction dans le logiciel de pilotage, régler des conditions et ajuster la longueur de la fibre (distance entre deux mors).
Lancer l’essai.
Au cours de l’essai, le capteur de force et le capteur de déplacement mesurent la force de traction sur la fibre et le déplacement entre les deux mors. Ces données sont traitées dans le logiciel de pilotage qui permet de tracer la courbe de contrainte-déformation. Le module d’Young de la fibre est déterminé par la tangente de l’angle entre la courbe de traction supposée linéaire et l’axe horizontale.
Plusieurs essais sont effectués sur des fibres de lin et de carbone. La Figure 3.10 présente la courbe contrainte-déformation d’une fibre de carbone et d’une fibre de lin.
a) b)
Figure 3.10 : Courbe contrainte-déformation : a) Fibre de carbone b) Fibre de lin En observant la Figure 3.10, on voit que la fibre de carbone présente un comportement purement élastique linéaire. Elle a aussi une résistance à la rupture et un module d’Young élevée. La fibre de lin présente un comportement non linéaire, une partie non-linéaire se
Chapitre 3 : Conception en matériau composite du segment du bras robotique
102
trouve dans la zone de petites déformations. Ce résultat s’accorde avec celui disponible dans la littérature [Cha06].
À partir de plusieurs essais, les résultats moyens des modules d’Young des fibres sont déterminés comme indiqué dans le Tableau 3.2. On trouve que les résultats expérimentaux s’accordent avec ceux de la bibliographie.
Tableau 3.2 : Module d’Young des fibres
Fibre Expérimental Valeur dans la référence
Fibre de lin (GPa) 35±8 12-85 [Bou11] Fibre de carbone (GPa) 145±20 33-827 [Dup08]
3.3.1.2.2. Résine époxy
Les dispositifs pour déterminer le module d’Young de la résine époxy sont présentés à la Figure 3.11. Ils comprennent :
un ordinateur sur lequel installé un logiciel de pilotage de la machine un extensomètre pour mesurer la déformation de l’éprouvette
et une machine d’essai Zwick équipée d’un capteur de force.
Figure 3.11 : Dispositifs de l’essai
Des plaques de dimensions 100x100x2 mm3 en résine époxy ont été fabriquées. Elles sont ensuite coupées en plusieurs éprouvettes de dimensions d’environ 6x100x2 mm3. Ensuite, les essais de traction sont réalisés sur les éprouvettes selon le protocole suivant :
Chapitre 3 : Conception en matériau composite du segment du bras robotique
Mettre l’éprouvette dans les mors de la machine Zwick. Ajuster l’éprouvette pour qu’elle soit verticale.
Mettre les pinces de l’extensomètre sur l’éprouvette.
Dans le logiciel de pilotage, choisir l’essai de traction, entrer les dimensions de l’éprouvette. La longueur de référence de l’éprouvette est la distance entre les deux pinces de l’extensomètre. La force de chargement est choisie d’augmenter de 0 à 200 N.
Lancer l’essai.
Le principe de mesure est le même que celui de l’essai sur les fibres. La Figure 3.12 représente la courbe contrainte-déformation d’une éprouvette en résine époxy.
Figure 3.12 : Courbe contrainte - déformation de l'époxy
En observant la Figure 3.12, on voit que l’angle d’inclination de la courbe de comportement de la résine est élevé à petite déformation. Cet angle diminue avec l’augmentation de la déformation mais cette diminution est très faible. D’après le résultat expérimental, le module d’Young moyen la résine époxy est d’environ 2.7±0.4 (GPa), cette valeur est plus faible que celle indiquée dans le manuel du fournisseur qui est de 3.5 GPa. Cette différence est liée au procédé de fabrication. En effet, la résine d’époxy a durci à la température ambiante, donc, le cycle de température est différent de celui optimal proposé par le fournisseur. Cependant, cette différence des résultats est acceptable. De plus, le module d’Young de la matrice a peu d’influence sur le module d’Young du composite puisqu’il est beaucoup plus faible par rapport à celui des fibres de renforts.
Dans cette étude, pour la fabrication des composites, le durcissement des composites s’effectue donc à la température ambiante. Dans le modèle d’homogénéisation du CSH, la valeur arrondie de 3 GPa sera utilisée pour le module d’Young de la résine époxy, cette valeur
Chapitre 3 : Conception en matériau composite du segment du bras robotique
104
est une valeur dans l’intervalle du résultat expérimental et elle se situe entre le module moyen du résultat expérimental et le module donné par le fournisseur.