Système de consolidation sous bâche sur plateau chauffant

Un second système de consolidation par tirage à vide a été développé au cours de cette thèse : il s’agit d’un système de consolidation sur plateau chauffant qui permet d’instrumenter le procédé de consolidation afin de suivre les phénomènes de consolidation interpli au cours de l’élaboration. Les pièces consolidées par ce système ont des dimensions réduites par rapport à celles produites en étuve : elles mesurent 60x60 mm2_{. Différents systèmes d’instrumentation}

Propriétés matériaux et méthodes expérimentales

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infra-rouge et/ou thermocouples de type K et débitmètre. En revanche, il n’y a pas de système de refroidissement utilisé lors de ces élaborations, le refroidissement des échantillons est donc naturel.

Figure 2-24 : Présentation du système de consolidation sur plateau chauffant

B.2.1) Présentation du système sous bâche

Afin de suivre au mieux l’évolution du stratifié, on modifie le drapage du système de consolidation par rapport au système de consolidation en étuve. On supprime ainsi le drainant et la feuille de séparation présents sur la partie supérieure du stratifié (cf. Figure 2-21 et Figure 2-25) afin d’avoir le moins de perturbation sur les mesures d’épaisseur. Pour ces mêmes raisons, on modifie la géométrie du tuyau de pompage afin de répartir plus uniformément le pompage sur la largeur du stratifié. De plus, on ajoute un thermocouple sous bâche au-dessus de l’empilement afin de mesurer le gradient thermique au cours de la consolidation. Enfin pour mesurer les variations d’épaisseur du composite pendant l’essai, on réalise un mouchetis fin sur la face supérieure de la bâche de pompage. Les tissus d’environnement sont les mêmes que pour la consolidation en étuve car les températures atteintes dont du même ordre de grandeur.

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B.2.2) Instrumentation du système de consolidation

B.2.2.a) Mesures thermiques au cours de la consolidation

Au cours de la consolidation, on souhaite contrôler la température du stratifié à la fois pour s’assurer que les conditions requises à l’élaboration d’une plaque saine sont obtenues mais surtout pour évaluer le gradient thermique au cours de l’élaboration. Cette information nous permettra effectivement d’étudier l’évolution des résistances thermiques de contact aux interplis et donc d’identifier les phénomènes de consolidation. Pour cela, différents outils ont été envisagés. La solution retenue est l’utilisation de thermocouples. Cependant des essais de suivi de températures par caméra thermique ont également été réalisés. La démarche suivie et les difficultés de cette instrumentation sont présentées en Annexe 1.

Le montage utilisé pour consolider le stratifié est un plateau chauffant. Il est constitué de deux plaques d’acier entre lesquelles sont placés des éléments chauffants. La régulation thermique de l’essai se fait via un régulateur Eurotherm et un thermocouple de type K placé à cœur de la face supérieure du plateau chauffant. Ainsi on régule la température au plus proche de l’échantillon.

Dans un premier temps, on contrôle l’homogénéité en température de la plaque. Pour cela on quadrille la plaque avec des thermocouples de type K de 0,25 mm de diamètre et on effectue un essai sans pli. On se place ainsi dans les mêmes conditions de vide que lors des essais et on applique le même cycle thermique. On constate au cours de cet essai, un écart maximal de 15°C au palier (T=360°C) entre les différents thermocouples. On remarque également que la zone la plus chaude est celle qui se trouve à proximité du tuyau de pompage et qu’au contraire la zone la plus froide est la plus éloignée du tuyau. Pour cette raison on distingue différentes zones d’étude pour le traitement des données de stéréocorrélation (cf. B.2.2.b).

Figure 2-26 : Schéma de quadrillage du plateau chauffant pour contrôler l'homogénéité en température du moule

Dans un second temps, on s’assure de la reproductibilité des essais en termes de température. Ainsi pour deux essais identiques, on compare l’écart mesuré par un même thermocouple situé en un même point du plateau chauffant. Lors du palier en température, la différence moyenne en un point du plateau chauffant entre deux essais est de 0,74 °C ± 0, 78 °C. On a donc une bonne reproductibilité de l’essai, quand on se place dans les mêmes conditions thermiques.

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B.2.2.b) Suivi d’épaisseur par stéréocorrélation

L’évolution de l’épaisseur du stratifié au cours du cycle d’élaboration est évaluée par corrélation d’images, qui permet de déterminer des champs de déplacement et/ou de déformation. La difficulté de cette application est de réussir à suivre un déplacement faible, de l’ordre de quelques dizaines de microns.

Principe succinct de la corrélation d’images [13]–[15]

La corrélation d’images est une méthode utilisée pour suivre des champs de déplacement à partir d’une image de l’état initial et d’une image de l’état déformé. L’image initiale est découpée en sous-sections, chacune associée à une distribution de niveau de gris. En faisant l’hypothèse que la distribution en niveau de gris reste identique à l’état déformé, il est alors possible de relier chacune des sous-sections de l’image initiale (f(x)) à sa sous-section correspondante à l’état déformé (g(x)) (cf. Equation 2-6). Comme une relation directe entre l’état initial et l’état déformé est rendue impossible par l’existence d’un signal aléatoire, la méthode de corrélation d’images cherche à minimiser l’écart entre f et g par la méthode des moindres carrés (cf. Equation 2-7). Dans ce but, on peut utiliser soit une approche locale, soit une approche globale.

𝑓(𝑥) = 𝑔(𝑥 + 𝑢(𝑥)) + 𝑏(𝑥) Equation 2-6

f : image numérique initiale g : image numérique déformée x : position u(x) : déplacement b(x) : signal aléatoire 𝐸₂[𝑢] = ∫[𝑓(𝑥) − 𝑔(𝑥 + (𝑢(𝑥))]2_𝑑𝑥 𝛯 Equation 2-7

En approche locale, la déformation de chaque sous-section est traitée de manière indépendante. En revanche, en approche globale, les sous-sections sont reliées entre elles au niveau de leur nœuds. Des hypothèses initiales sont alors faites notamment concernant la continuité des champs de déplacement afin de réduire le nombre d’inconnues.

Principe de la stéréocorrélation [13]–[15]

Pour obtenir une déformation hors-plan, on ajoute une deuxième caméra permettant ainsi de réaliser une étude 3D. On obtient ainsi des paires d’images qui sont comparées entre elles suivant les mêmes méthodes que présentées ci-dessus (approche locale et approche globale). On a ainsi deux repères correspondant aux deux caméras. Le passage du repère de l’objet au repère d’une caméra se fait par une matrice de transformation Ti_{. De même, la projection de}

l’espace 3D en image 2D de chacune des caméras se fait via une matrice de passage Pi_{. Pour}

identifier ces matrices P et T, des étapes de calibration sont nécessaires.

Il est également possible de traiter séparément les images des deux caméras dans un premier temps, puis de recombiner les données par utilisation des matrices P et T.

Méthode du logiciel Vic3D [16]

Le logiciel de traitement utilisé est le logiciel Vic3D, qui utilise une approche locale. Ce dernier décompose l’image de la caméra de référence en un grand nombre de sous-images. Ces sous- images sont dans notre cas de forme carrée et leur côte comprend Nsubset pixels. Le logiciel

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détermine le déplacement au centre de cette sous-image à partir d’une mesure sur un nuage de points espacés d’un écart de Nstep pixels. Enfin une déformation filtrée est obtenue en réalisant

une interpolation de déplacement sur un nombre Nfilter de sous-images. Lors de l’exploitation

des essais, il est donc nécessaire de définir la valeur de ces trois paramètres (Nsubset, Nstep, Nfilter).

Ces derniers déterminent la taille de la jauge virtuelle (Jv) suivant l’Equation 2-8.

𝐽_𝑣 = 𝑁_{𝑠𝑡𝑒𝑝}(𝑁_{𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟}− 1) + 𝑁_{𝑠𝑢𝑏𝑠𝑒𝑡} Equation 2-8

La vitesse de calcul classique par ce logiciel pour les champs de déplacement et de déformation est de l’ordre de 50 000 pts/seconde. Le profil de surface est reconstitué par triangulation.

Conditions d’essais

Au cours de l’essai des caméras optiques avec une résolution de 4,2Mpx associées à des bagues allonges de 41 mm sont utilisées. L’angle entre les caméras est compris entre 29° et 34°. Elles sont placées à environ 1 m du centre du stratifié et à environ 30 cm l’une de l’autre. Avec ces conditions, on parvient à étudier l’évolution de l’épaisseur sur des zones de 100x100 mm2_.

Sachant que les dimensions du stratifié sont de 60x60 mm2_{, ces conditions géométriques nous}

permettent à la fois d’étudier l’évolution de l’épaisseur en tout point du stratifié et d’avoir l’évolution de l’épaisseur du plateau chauffant en référence. Comme le temps d’élaboration est long (environ 3-4 h), le pas de temps sélectionné est de 30 s. On utilise le logiciel VicSnap pour faire l’acquisition des images.

Pour le traitement des essais on utilise le logiciel Vic3D 7. On utilise les valeurs par défaut du triplet Nsubset, Nstep, Nfilter = 29, 7, 15, qui permet d’avoir un compromis entre le niveau

d’incertitude en déplacement hors-plan et le temps de calcul (cf. Figure 2-27). Par ailleurs, on constate que la valeur du Nfilter quand elle est comprise entre 5 et 27 n’influe pas sur l’incertitude

ou le temps de déplacement. Avec ces paramètres on obtient une incertitude d’environ 1,4 μm sur le déplacement hors-plan.

Figure 2-27 : Influence du paramètre Nsubset à Nstep=7 et Nfilter=15

En raison des conditions thermiques (cf. B.2.2.a) et de pression (cf. B.2.2.c) qui varient d’une zone à l’autre du plateau chauffant en fonction de la distance au tuyau de pompage, on découpe

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le stratifié par zones en fonction de la distance au tuyau de pompage (cf. Figure 2-28). On fait ensuite une évaluation du déplacement hors-plan pour chaque zone (parties orangées).

Figure 2-28 : Découpe par zones des données de stéréocorrélation

Afin d’obtenir une évaluation du déplacement du stratifié et non de l’ensemble {stratifié + plateau chauffant}, on soustrait pour chaque zone le déplacement moyen hors-plan du plateau chauffant évalué en des zones proches (parties bleues).

B.2.2.c) Suivi des pertes de charge par mesures de débit

Dans un second temps, des essais complémentaires ont été réalisés afin de comprendre au mieux les phénomènes de mise en contact. Ainsi en plus d’un suivi d’épaisseur et d’un suivi thermique, un contrôle de la perméabilité planaire des interfaces au cours du cycle d’élaboration est mené. L’adaptation du système d’élaboration est présentée en Figure 2-29. On ajoute effectivement un débitmètre du côté opposé au tuyau de pompage.

a) Système vue de dessus b) Coupe transverse du système Figure 2-29 : Système de consolidation avec mesure de pertes de charges

Deux principales difficultés sont issues de ce montage. La première correspond à la mesure par le débitmètre des fuites sur les côtés du stratifié. Elles représentent une valeur seuil de la perte de charge pouvant être observable par ce système. La seconde difficulté est le gradient d’épaisseur présent le long du stratifié. En effet, la présence du débitmètre introduit un gradient de pression entre la zone proche du tuyau de pompage, sous vide, et celle proche du tuyau du débitmètre, à la pression atmosphérique. Comme les plis ne sont pas consolidés en début

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d’essai, les interplis sont plus importants au niveau du débitmètre. Cette variation d’épaisseur le long du stratifié ne permet pas d’utiliser une loi de Poiseuille classique pour décrire l’écoulement entre deux plans (cf. Equation 2-9). Une loi de Poiseuille à géométrie variable doit être considérée. Ce point sera plus largement détaillé au Chapitre 4.

B.3) Conclusion

Deux voies principales d’élaboration « basse pression » ont été développées au cours de cette

thèse. En revanche, deux systèmes de chauffe sont testés : l’étuve permettant une homogénéité de la température et un contrôle des rampes de refroidissement et le plateau chauffant permettant une instrumentation du système d’élaboration.

Ainsi l’élaboration en étuve permet de se rapprocher des conditions d’élaboration industrielle actuellement utilisée et de proposer ainsi une optimisation des paramètres procédés d’élaboration. L’élaboration sur plateau chauffant est, elle, développée dans le but d’étudier les phénomènes physiques ayant lieu lors de la consolidation interpli. Afin de répondre à cet objectif, différentes instrumentations ont été utilisées. L’utilisation de caméras optiques permet ainsi de suivre l’évolution de l’épaisseur du stratifié, et donc des interplis, par stéréocorrélation. Des thermocouples sont utilisés afin d’avoir des informations sur le gradient thermique et donc la résistance thermique des interplis au cours de la consolidation. Enfin l’emploi d’un débitmètre permet d’étudier les pertes de charges au cours du cycle d’élaboration et donc de suivre l’évolution des canaux d’évacuation de porosités. Dans cette thèse, le système sur plateau chauffant n’a pas été optimisé pour permettre une industrialisation de cette voie d’élaboration. En revanche, les essais réalisés montrent le potentiel important de cette méthode pour augmenter les cadences de production. En effet, la possibilité de produire des plaques saines avec un système très peu encombrant a été montrée au cours de la consolidation des stratifiés.