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Submitted on 25 Jun 2021
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C-Ply (Trademark) NCF Carbone extra fin : Etude du
procédé de fabrication et optimisation du renfort
Vicky Singery
To cite this version:
UNIVERSITE DE MULHOUSE HAUTE-ALSACE
LABORATOIRE DE PHYSIQUE ET MECANIQUE TEXTILES EA 4365 ECOLE DOCTORALE MATHEMATIQUES, SCIENCES DE L’INFORMATION
ET DE L’INGENIEUR E.D. 269
THESE
Présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE HAUTE ALSACE Spécialité : Mécanique
Par
Vicky SINGERY
Sous la direction du Professeur Jean-Yves DREAN et du Docteur Jean-François OSSELIN En collaboration avec Monsieur Philippe SANIAL et Monsieur Thomas ROURE
C-Ply
TM
: NCF carbone extra-fin
Étude du procédé de fabrication et
optimisation du renfort
JURY Pr. Dominique PERREUX Pr. Damien SOULAT Pr. Christophe BINETRUY Dr. Patrick HENRAT M. Philippe SANIAL M. Thomas ROURE Pr. Jean-Yves DREAN Dr. Jean-François OSSELINLaboratoire FEMTO-ST, Besançon ENSAIT – GemTex, Roubaix
École Centrale de Nantes – GeM, Nantes Safran Composites, Itteville
Chomarat, Le Cheylard Chomarat, Le Cheylard
Université de Haute Alsace, Mulhouse Université de Haute Alsace, Mulhouse
Remerciements
Cette thèse n’aurait pas pu se faire sans le soutien de nombreuses personnes que je souhaite remercier profondément. Nos travaux ont été réalisés dans le cadre d’une convention CIFRE, établie entre le Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles de Mulhouse, LPMT et la société Chomarat située en Ardèche. Cela m’a donné l’occasion de découvrir l’univers de la recherche en entreprise. La thèse a été initiée dans le cadre du projet VANILLE (CORAC) pour lequel Chomarat était l’un des partenaires. Dans ce cadre, je tiens à exprimer ma gratitude à Safran pour nous avoir fait part de remarques constructives qui ont menées à la réussite du projet.
Tout d’abord, j’adresse mes plus sincères remerciements à mes directeurs de thèse, Pr. Jean-Yves Drean et Dr. Jean-François Osselin, pour leurs conseils, leur accompagnement malgré la distance entre l’Alsace et l’Ardèche et surtout pour l’autonomie qu’ils m’ont laissé pendant ces trois dernières années.
Je tiens à remercier vivement la société Chomarat qui m’a accueillie et permis de vivre une expérience extrêmement enrichissante tant sur le plan professionnel que personnel. Et j’adresse tout particulièrement mes remerciements aux personnes qui m’ont encadrée et accompagnée tout au long de ce projet. Un grand merci à Thomas Roure pour m’avoir formée et accompagnée dans cette aventure, à Bertrand Vialle pour m’avoir guidée dans la réalisation de différents projets, à Philippe Sanial, Responsable du service R&D et à Michel Cognet, Directeur Général du groupe Chomarat, sans qui cette thèse n’aurait pas été possible.
Je tiens également à témoigner toute ma reconnaissance aux techniciens et opérateurs travaillant à l’atelier Carbone, qui m’ont accueillie dans l’équipe, conseillée et transmis leurs connaissances. La relation de confiance qui s’est rapidement installée nous a permis de surmonter de nombreux défis techniques. Un grand merci à Dudu, Seb, Nico, Jean-Phi, Jacky, Richard, Jérôme, Stéphane, Joël, Christophe, Aurélien et Samuel pour tout ce que vous m’avez appris.
Je ne saurais oublier, les personnes qui m’ont aussi permis de passer des bons moments au bureau, lors des pauses café et à l’extérieur de l’entreprise. Dédé, Noël, Domi, Gaëtan, Anaïs, Pierre, Benjamin, Joachim et Johanna, un grand merci à vous.
Même si j’ai passé plus de temps au sein des locaux de l’entreprise Chomarat que du LPMT, j’adresse mes remerciements à toutes les personnes du laboratoire, doctorants, chercheurs, personnes de l’administration et des services techniques pour m’avoir accueillie et aidée lorsque j’en avais besoin. Et je tiens tout particulièrement à remercier Antoine, mon ancien binôme de TP et Mathieu pour vos conseils et pour avoir pris soin de mon bureau en mon absence.
Je tiens également à témoigner ma reconnaissance aux membres du jury et tout particulièrement au Pr. Christophe Binetruy du GeM de Nantes et au Pr. Damien Soulat du GemTex de Roubaix pour avoir accepté d’être rapporteurs, ainsi qu’au Pr. Dominique Perreux du Laboratoire FEMTO-ST de Besançon et au Dr. Patrick Henrat de Safran Composites qui ont également accepté d’apporter leur expertise technique en faisant partie des examinateurs. Enfin, je termine par une pensée pour ma famille et mes amis que je remercie profondément de m’avoir soutenue, encouragée et accompagnée pendant ces trois ans et cela malgré la distance. Je tiens également à témoigner de toute ma reconnaissance et de mon amour pour Valentin. Merci d’avoir été là pour moi du début à la fin de cette aventure.
Table des matières
Liste des figures ... viii
Liste des tableaux ... xii
Introduction générale ...1
Chapitre 1. Étude bibliographique ...7
1.1 Introduction ... 8
1.2 Les matériaux composites ... 8
1.2.1 Définition ... 8
1.2.2 Les textiles dans les matériaux composites ... 9
1.2.2.1 Les fibres techniques ...9
1.2.2.2 Les structures textiles ... 11
1.3 Les fibres de carbone ...15
1.3.1 Histoire ...15
1.3.2 Fabrication des fibres de carbone ...16
1.4 Les technologies d’étalement ...19
1.4.1 État de l’art ...19
1.4.2 Machine d’étalement du fabricant LIBA ...23
1.5 Les Non Crimp Fabrics ...28
1.5.1 Définition ...28
1.5.2 Fabrication d’un NCF ...29
1.5.2.1 NCF standard non étalé ... 29
1.5.2.2 NCF à base de nappes étalées ... 31
1.5.3 Propriétés physiques et mécaniques des NCF ...34
1.6 Conclusions ...37
Chapitre 2. Étude du procédé d’étalement par la méthode des plans d’expérience . 39 2.1 Introduction ...40
2.2 Méthode et moyens mis en place ...41
2.2.1 Le dispositif de mesure ...41
2.2.2 La méthode des plans d’expérience ...44
2.3 Étude expérimentale des différentes étapes de l’étalement ...46
2.3.1 Étude du procédé d’étalement de base : module de vibration ...46
2.3.2 Étude des éléments complémentaires ...52
2.3.2.1 Dévidage et chemins de fils ... 52
2.4 Étude du procédé d’étalement complet ...66
2.4.1 Mise en place des essais de validation ...66
2.4.2 Limite d’étalement ...70
2.5 Conclusions ...79
Chapitre 3. Étude de l’assemblage par couture ... 81
3.1 Introduction ...82
3.2 Méthodes et moyens mis en place ...83
3.2.1 Matériaux utilisés ...83
3.2.2 Mise au point d’une machine de couture de laboratoire ...85
3.2.3 Mise au point d’un dispositif de mesure du taux de couverture ...89
3.2.4 Mise au point d’un dispositif de mesure de la déformabilité ...91
3.2.4.1 État de l’art ... 92
3.2.4.2 Mise au point du dispositif de déformation... 95
3.3 Étude de la couture ... 101
3.3.1 Essais préliminaires ... 101
3.3.1.1 Étude du taux de couverture ... 102
3.3.1.2 Étude de la déformation ... 103
3.3.2 Plan d’expérience : Jauge / Longueur / Tension ... 111
3.3.3 Dérivés du point tricot ... 120
3.3.3.1 La maille de retour ... 121
3.3.3.2 L’Atlas et la maille de progression ... 122
3.3.3.3 L’Atlas et le nombre de jetées sous dans la même direction ... 123
3.3.4 Utilisation de deux barres à passettes ... 124
3.4 Conclusions ... 127
Chapitre 4. Fabrication et caractérisation des C-PlyTM ... 129
4.1 Introduction ... 130
4.2 Fabrication des nappes ... 131
4.2.1 Rappel de la configuration optimale d’étalement ... 131
4.2.1.1 Fibre T800SC 24K 10E de Toray ... 131
4.2.1.2 Fibre IMS65 24K E23 de Toho Tenax ... 132
4.2.2 Les étapes de fabrication de la nappe ... 133
4.2.2.1 Calcul du nombre de fils à utiliser ... 133
4.2.2.2 Positionnement des fils sur le cantre et dans le volet d’alignement ... 134
4.2.2.3 Passage dans le module de préparation et les peignes de guidage ... 136
4.2.2.4 Passage dans le module de vibration ... 139
4.2.2.5 Fixation de la nappe ... 139
4.2.2.6 Enroulage... 140
4.2.2.7 Les contrôles en ligne ... 140
4.3 Fabrication des C-PlyTM ... 141
4.3.1 Déroulage des nappes ... 141
4.3.2 Dépose et transport des nappes ... 142
4.3.3 Assemblage des deux plis par couture ... 143
4.3.4 Découpe des lisières et enroulage des produits finis ... 145
4.4 Caractérisation ... 147
4.4.1 Propriétés physiques des renforts à plat ... 147
4.4.1.1 Masse surfacique et épaisseur ... 147
4.4.1.2 Taux de couverture ... 149
4.4.2 Capacité des renforts à se déformer ... 149
4.4.2.1 Équilibre de la déformation ... 150
4.4.2.2 Taux de gaps après déformation ... 151
4.4.2.3 Taille des plus gros gaps créés ... 152
4.5 Conclusions ... 153
Conclusion générale et perspectives ... 157
Références bibliographiques ... 161
Glossaire ... 167
Annexe A. Matrices ... 173
Annexe B. Mise en œuvre des composites ... 174
Annexe C. Méthode des plans d’expérience ... 176
Liste des figures
Figure I.1 - Évolution des taux de dilution et de la consommation des moteurs [1] ... 2
Figure I.2 - Aube de soufflante en composite [2]... 3
Figure I.3 - Déroulement des travaux ... 4
Figure 1.1 - Fibre de carbone PANEX 35 du fabricant ZOLTEK [4] ... 9
Figure 1.2 - Mèche de verre du fabricant OWENS CORNING [5] ...10
Figure 1.3 - TWARON (aramide) du fabricant TEIJIN [6] ...10
Figure 1.4 - Fibre de lin [7] ...10
Figure 1.5 - Schéma de construction d’un NCF [8] ...11
Figure 1.6 - Armures classiques ...11
Figure 1.7 - Tissu interlock [10] ...12
Figure 1.8 - Tricot maille cueillie – Jersey [10] ...12
Figure 1.9 - Tricot maille jetée – Demi-simple [10] ...13
Figure 1.10 - Tressage en forme [11] ...13
Figure 1.11 - Mat de verre ...14
Figure 1.12 - Comparaison d’un UD, d’un NCF et d’un tissu [12] ...14
Figure 1.13 - Estimation de la capacité de production (en t) de fibre de carbone [14] ...15
Figure 1.14 - Fibres de PAN pendant l’étape d’oxydation – Zoltek [16] ...17
Figure 1.15 - Procédé de fabrication des fibres de carbone [15] ...18
Figure 1.16 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet US 7 536 761 B2 ...20
Figure 1.17 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet EP 0 972 102 B1 ...20
Figure 1.18 - Système d’étalement par embarrages de Karl Mayer ...20
Figure 1.19 - Schéma représentant l’écartement des filaments par le flux d’air ...21
Figure 1.20 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet EP 0 837 162 B1 ...21
Figure 1.21 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet US 04 959 895 A ...22
Figure 1.22 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet EP 0 302 449 A2 ...22
Figure 1.23 - « Spreading machine UD60006» du fabricant LIBA [8] ...24
Figure 1.24 - Broche électronique « EGA system » du fabricant TEXMER [36] ...24
Figure 1.25 - Volet d’alignement ...25
Figure 1.26 - Module d’étalement par vibration ...26
Figure 1.27 - Schéma du dispositif d’étalement ...26
Figure 1.28 - Dispositif de fixation ...27
Figure 1.29 - Enroulage avec le papier ...27
Figure 1.30 - Orientation des plis ...28
Figure 1.31 - Trameur de fils de verre ...29
Figure 1.32 - Illustration de la formation d’une maille ...30
Figure 1.33 - Point de couture 101 ...30
Figure 1.34 - Mouvement des aiguilles avec le « Walking Needle » [39] ...31
Figure 1.35 - Étapes de fabrication d’un NCF à base de nappes étalées ...32
Figure 1.37 - Dépose des nappes sur le tapis convoyeur ...33
Figure 1.38 - Système de maintien des nappes décrit dans le brevet US 4 823 564 ...34
Figure 1.39 - Schémas des points de couture sur un pli à 0° ...35
Figure 1.40 - Schéma des ellipses avec une couture chaînette sur un pli à 45° ...36
Figure 1.41 - Schéma des réseaux créés par le choix de la longueur du point ...36
Figure 2.1 - Schéma de l’étalement – Du fil à la nappe...40
Figure 2.2 - Observation visuelle des filaments cassés en surface ...41
Figure 2.3 - Positionnement des fils de carbone ...42
Figure 2.4 - Reflex positionné en sortie de machine ...42
Figure 2.5 - Mesures de la largeur des fils par le plugin...43
Figure 2.6 - Analyse d’une nappe par le plugin ...44
Figure 2.7 - Boîte noire ...45
Figure 2.8 - Table de Taguchi L8(27) [49] ...46
Figure 2.9 - Schéma du module de vibration ...46
Figure 2.10 - Boîte noire du plan d’expérience – Module de vibration ...47
Figure 2.11 - Graphique linéaire L32(231) [46] ...48
Figure 2.12 - Réglage de l’embarrage ...49
Figure 2.13 - Étapes du procédé d’étalement ...52
Figure 2.14 - Schéma des positions choisies pour l’étude du cantre...53
Figure 2.15 - Graphiques des effets des différents paramètres étudiés ...53
Figure 2.16 - Module de préparation – Prototype n°1 ...54
Figure 2.17 - Boîte noire du plan d’expérience – Module de préparation ...55
Figure 2.18 - Graphique linéaire L27(313) [46] ...56
Figure 2.19 - Positionnement des barres pour ajuster le facteur « distance » ...56
Figure 2.20 - Graphique des effets du plan d’expérience – Module de préparation ...58
Figure 2.21 - Diagramme des effets des interactions – Module de préparation ...59
Figure 2.22 - Module de préparation – Prototype n°2 ...60
Figure 2.23 - Boîte noire du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...61
Figure 2.24 - Graphique des effets du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...63
Figure 2.25 - Diagramme des effets des interactions – Module de préparation n°2 ...64
Figure 2.26 - Boîte noire des essais de validation ...69
Figure 2.27 - Images MEB des fibres de carbone candidates ...71
Figure 2.28 - Photographies réalisées à l’aide d’une caméra endoscopique ...72
Figure 2.29 - Résultats des essais de validation – T800SC 24K 10E de Toray ...73
Figure 2.30 - Résultats des essais de validation – IMS65 24K E23 de Toho Tenax ...75
Figure 2.31 - Fils d’IMS65 après étalement ...76
Figure 2.32 - Résultats des essais de validation – IM7 12K GP de Hexcel ...77
Figure 3.1 - Schéma d’une nappe de carbone avant (a) et après (b) l’étape de couture ...82
Figure 3.2 - Points de couture standards ...83
Figure 3.3 - Bande de carbone pour la machine de couture de laboratoire ...85
Figure 3.4 - Métier Rachel RACOP TR6 du fabricant LIBA ...86
Figure 3.5 - Modification des organes de couture [51] ...88
Figure 3.6 - Machine de couture de laboratoire après modification ...88
Figure 3.7 - Schéma de principe du dispositif de mesure du taux de couverture ...90
Figure 3.8 - Schéma du dispositif de mesure du taux de couverture par un scanner ...90
Figure 3.9 - Dispositif de mesure du taux de couverture par un scanner ...90
Figure 3.10 - Comparaison des résolutions ...91
Figure 3.12 - Bias Extension Test ...92
Figure 3.13 - Picture Frame Test ...93
Figure 3.14 - Trimtester ...93
Figure 3.15 - Drapetest...94
Figure 3.16 - Dispositif de déformation ...96
Figure 3.17 - Pourcentage de gaps en fonction de l’angle d’observation ...96
Figure 3.18 - Schéma du dispositif de déformation ...97
Figure 3.19 - Forme de l’éprouvette après déformation sur le Drapetest ...97
Figure 3.20 - Analyse de l’équilibre de déformation ...98
Figure 3.21 - Dispositif d’analyse de la déformation ...99
Figure 3.22 - Analyse des défauts ... 100
Figure 3.23 - Points de couture des essais préliminaires ... 101
Figure 3.24 - Représentations des ellipses en fonction de la longueur du point de couture 102 Figure 3.25 - Force mesurée en fonction de l’élévation ... 103
Figure 3.26 - Analyse des écartements des filaments du pli supérieur ... 104
Figure 3.27 - Orientation des fibres de carbone du pli supérieur ... 104
Figure 3.28 - Taux de gaps (en %) sur le tour de la calotte pour chaque élévation ... 106
Figure 3.29 - Largeur du plus gros gap (en mm) observé pour chaque élévation ... 109
Figure 3.30 - Forme de l’éprouvette après déformation ... 110
Figure 3.31 - Boîte noire du plan d’expérience – Couture ... 111
Figure 3.32 - Génératrices du cône supportant les filaments des plis à +45° et -45° ... 112
Figure 3.33 - Cisaillement des plis ... 113
Figure 3.34 - Schéma d’une maille – Tricot ... 113
Figure 3.35 - Cisaillement d’une maille ... 113
Figure 3.36 - LFA théorique en fonction de l’angle de cisaillement ... 114
Figure 3.37 - Effets des interactions du plan d’expérience – Couture ... 116
Figure 3.38 - Types de maille de retour ... 121
Figure 3.39 - Points tricots ... 121
Figure 3.40 - Types de maille de progression ... 122
Figure 3.41 - Points Atlas ... 122
Figure 3.42 - Variation du nombre de jetées sous successives dans la même direction ... 123
Figure 3.43 - Double tricot enfilage 1 et 1 – Impossible ... 125
Figure 3.44 - Motifs en double barre à passettes ... 125
Figure 4.1 - Déroulement des travaux ... 130
Figure 4.2 - Étapes de fabrication d’une nappe ... 131
Figure 4.3 - Passage des fils ... 134
Figure 4.4 - Positionnement des bobines sur le cantre ... 135
Figure 4.5 - Module du volet d’alignement ... 135
Figure 4.6 - Positionnement des fils sur le volet d’alignement... 136
Figure 4.7 - Configuration optimale du module de préparation ... 137
Figure 4.8 - Module de préparation amélioré ... 137
Figure 4.9 - Ajustement des peignes ... 138
Figure 4.10 - Module de vibration ... 139
Figure 4.11 - Fixation de la nappe ... 139
Figure 4.12 - Enroulage de la nappe et du papier intercalaire sur l’ensouple ... 140
Figure 4.13 - Étapes de fabrication du C-PlyTM ... 141
Figure 4.14 - Station de déroulage ... 142
Figure 4.16 - Dépose d’une nappe ... 143
Figure 4.17 - Cames de la machine multiaxiale ... 144
Figure 4.18 - Tricot E2,5 ... 144
Figure 4.19 - Enroulage tangentiel ... 145
Figure 4.20 - C-PLY SP BX90/P13 T2 24K T800S X127 CM... 146
Figure 4.21 - C-PLY SP BX80/P13 T2 24K IMS65 X127 CM ... 146
Figure 4.22 - Taux de gaps (en %) en fonction de la zone observée ... 151
Figure 4.23 - Taille des plus gros gaps (en mm²) en fonction de la zone observée ... 152
Figure B.1 - RTM ... 174
Figure B.2 - Infusion ... 174
Figure B.3 - Mise en œuvre de renforts pré-imprégnés dans un autoclave ... 175
Figure B.4 - Pultrusion ... 175
Figure C.1 - Graphiques linéaires de la table L8(27) [49] ... 177
Figure C.2 - Table de Taguchi L32(231) [46] ... 178
Figure D.1 - Formation d’une maille... 182
Figure D.2 - Mouvement transversal de la barre à passettes ... 182
Figure D.3 - Position du dispositif de commande ... 183
Figure D.4 - Codage du point tricot ... 183
Figure D.5 - Types de maillons ... 184
Figure D.6 - Chaîne à maillons – Maillons pleins ... 184
Liste des tableaux
Tableau 1.1 - Propriétés mécaniques des fibres de carbone [17] ...18
Tableau 2.1 - Tableau triangulaire du plan d’expérience – Module de vibration ...47
Tableau 2.2 - Niveaux des facteurs du plan d’expérience – Module de vibration ...48
Tableau 2.3 - Matrice du plan d’expérience – Module de vibration ...49
Tableau 2.4 - Effets des facteurs du plan d’expérience – Module de vibration ...50
Tableau 2.5 - Effets des interactions du plan d’expérience – Module de vibration ...50
Tableau 2.6 - Analyse de variance du plan d’expérience – Module de vibration ...50
Tableau 2.7 - Configuration optimale du plan d’expérience – Module de vibration ...51
Tableau 2.8 - Niveaux des facteurs du plan d’expérience – Module de préparation ...56
Tableau 2.9 - Matrice du plan d’expérience – Module de préparation ...57
Tableau 2.10 - Analyse de variance du plan d’expérience – Module de préparation ...59
Tableau 2.11 - Configuration optimale du plan d’expérience – Module de préparation ...60
Tableau 2.12 - Niveaux des facteurs du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...61
Tableau 2.13 - Expériences répétées ...62
Tableau 2.14 - Matrice du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...62
Tableau 2.15 - Analyse de variance du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...65
Tableau 2.16 - Configuration optimale du plan d’expérience – Module de préparation n°2 ...65
Tableau 2.17 - Configuration optimale ajustée – Module de préparation n°2 ...66
Tableau 2.18 - Matrice des essais de validation ...70
Tableau 2.19 - Fibres de carbone candidates ...71
Tableau 2.20 - Diamètre des filaments de carbone ...72
Tableau 3.1 - Choix techniques face aux objectifs de la machine de couture ...87
Tableau 3.2 - Taux de couverture des essais préliminaires ... 102
Tableau 3.3 - Niveaux des facteurs du plan d’expérience – Couture ... 114
Tableau 3.4 - Matrice du plan d’expérience – Couture... 115
Tableau 3.5 - Effets des facteurs du plan d’expérience – Couture ... 115
Tableau 3.6 - Analyse de variance du plan d’expérience – Ratio d’équilibre ... 117
Tableau 3.7 - Configuration optimale du plan d’expérience – Ratio d’équilibre ... 117
Tableau 3.8 - Analyse de variance du plan d’expérience – Taux de gaps ... 118
Tableau 3.9 - Configuration optimale du plan d’expérience – Taux de gaps ... 118
Tableau 3.10 - Analyse de variance du plan d’expérience – Taille du plus gros gap ... 119
Tableau 3.11 - Configuration optimale du plan d’expérience – Taille du plus gros gap ... 119
Tableau 3.12 - Combinaisons optimales du plan d’expérience – Couture ... 120
Tableau 3.13 - Comparaison des mailles de retour fermées et ouvertes ... 121
Tableau 3.14 - Comparaison des mailles de progression fermées et ouvertes ... 123
Tableau 3.15 - Comparaison du nombre de jetées sous dans la même direction ... 124
Tableau 3.16 - Comparaison des motifs en double barre avec le point tricot optimal ... 126
Tableau 4.1 - Dimensions des peignes de guidage pour le nappe de 40 g/m² IMS65 ... 138
Tableau 4.3 - Mesure de la masse surfacique totale ... 147
Tableau 4.4 - Mesure de la masse surfacique des renforts décomposés ... 147
Tableau 4.5 - Mesure de l’épaisseur... 148
Tableau 4.6 - Mesure du taux de couverture ... 149
Tableau 4.7 - Mesure du ratio d’équilibre ... 150
Tableau 4.8 - Mesure de la surface des plus gros gaps... 153
Tableau A.1 - Comparaison des résines TD et TP [62] ... 173
Introduction générale
Depuis les années 80, l’intérêt que l’industrie de pointe porte aux matériaux composites hautes performances grandit. Comparés aux matériaux standards tels que les métaux, la faible masse surfacique, les performances spécifiques et les larges possibilités autorisées par les composites, ont permis à ces derniers de s’imposer naturellement pour répondre aux problématiques économiques et environnementales d’aujourd’hui et de demain. Aptes à supplanter les autres matériaux en matière de propriétés mécaniques mais aussi en diminuant l’impact environnemental, les matériaux composites comptent désormais parmi les matériaux d’avenir.
L’évolution du monde actuel tend à poursuivre vers des échanges commerciaux et sociaux internationaux toujours plus importants. Ceci nécessite le développement de transports permettant de faciliter la mobilité afin d’avoir la capacité de traverser des continents et des océans aussi facilement que de traverser un pays. C’est pourquoi l’aviation est aujourd’hui devenue incontournable et les estimations montrent un développement très important du trafic aérien qui devrait doubler d’ici 20 ans. Cependant la situation environnementale mondiale étant déjà préoccupante, l’augmentation de l’activité aérienne pourrait engendrer des dégâts écologiques désastreux. Dans ce contexte de croissance du trafic aérien, il est impératif, dès aujourd’hui, de connaitre et d’être en mesure de maîtriser son impact environnemental.
Les challenges de demain sont nombreux. Il faudra être capable d’améliorer le confort des usagers des avions, du personnel de bord mais aussi des riverains qui subissent les perturbations quotidiennes dues au trafic aérien, tout en tenant compte des préoccupations écologiques. Plusieurs axes doivent être explorés pour réduire le bruit et la consommation des avions :
Travailler sur le design pour améliorer l’aérodynamisme et réduire ainsi la trainée. Utiliser des matériaux plus légers pour la structure et les équipements à bord. Optimiser l’aménagement.
Ces challenges ne datent pas d’aujourd’hui ; depuis plusieurs décennies, l’industrie aéronautique travaille sur les performances acoustiques et énergétiques. À force de progrès techniques et de ruptures technologiques, ils sont parvenus à gagner 20 décibels depuis le début des années 80 et la consommation de carburant par passager par kilomètre a été réduite de 70 % depuis les années 60.
en 2000. En consultation avec l’ensemble des acteurs du transport aérien français, les industriels, les compagnies aériennes, les aéroports, l’ONERA (Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales), les organismes de recherche et les ministères concernés, sous l’impulsion de la DGAC (Direction Générale de l’Aviation Civile) et du GIFAS (Groupement des Industries Françaises Aéronautiques et Spatiales), le CORAC a établi une feuille de route technologique pour la recherche aéronautique. Cette dernière répondant pleinement aux enjeux de diminution de l’impact environnemental de l’industrie aéronautique en imposant des objectifs ambitieux de réduction de la consommation de carburant, d’émission de polluant et de bruit.
Objectifs à l’horizon 2020, établis en 2000 : une réduction de 50 % du bruit perçu.
une réduction de 50 % des émissions de dioxyde de carbone (CO2).
une réduction de 80 % des émissions d’oxydes d’azote (NOx).
Objectifs à l’horizon 2050, établis en 2011 : une réduction de 65 % du bruit perçu.
une réduction de 75 % des émissions de dioxyde de carbone (CO2).
une réduction de 90 % des émissions d’oxydes d’azote (NOx).
Dans le but d’accélérer l’intégration de nouvelles technologies permettant de produire des avions plus propres, plus économes, plus performants et moins bruyants, le CORAC a proposé huit plateformes de démonstration technologique. Parmi celles-ci, la plateforme EPICE, Ensemble Propulsif Intégré avec Composites pour l’Environnement, porte sur la maturation de deux générations de systèmes propulsifs à taux de dilution augmenté. Ces technologies auront un impact favorable sur la consommation en carburant (Figure I.1).
Safran, a été mis en place. Il a pour objectif de développer des technologies et de valider les éléments clés d’un ensemble propulsif permettant de contrebalancer ces contraintes d’augmentation de la taille de la nacelle et de son intégration. L’introduction de matériaux composites structurels innovants dans la fabrication de différents éléments comme les carters et les aubes de soufflantes (Figure I.2) permettra d’alléger la structure. Ces pièces d’épaisseur importante et de profil complexe sont directement tissées en forme en utilisant des fils de carbone de titre élevé. Cependant ce type de structures tridimensionnelles tissées peut avoir une qualité de surface insuffisante, irrégulière et grossière, d’une part parce qu’elles utilisent des gros fils de carbone et d’autre part à cause des points de « trimming » (détourage, coupe des flottés inutiles), c’est-à-dire des zones où les fils qui ne sont plus utilisés dans le tissu sont coupés pour changer le profil de la pièce et diminuer l’épaisseur.
Figure I.2 - Aube de soufflante en composite [2]
La manière d’optimiser cet aspect de surface irrégulier est d’ajouter un tissu additionnel de peau qui viendra lisser les irrégularités de surface. Celui-ci doit être très léger et très fin pour passer « inaperçu » et donc remplir son objectif sans ajouter de poids supplémentaire. Il doit aussi être facilement manipulable et drapable pour pouvoir épouser parfaitement la forme complexe de l’aube.
Nos travaux ont été initiés dans le cadre du projet VANILLE, sous la forme d’une thèse CIFRE, avec pour objectif de développer et d’améliorer les technologies nécessaires à la fabrication d’un pli de surface de faible grammage à base de fibres de carbone. Nous avons effectué nos recherches au sein du Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles, LPMT, et de la société Chomarat qui est actuellement un des leaders mondiaux dans le domaine des textiles techniques. Au fil des années, la société Chomarat a pu acquérir une expérience considérable sur le développement de renforts multiaxiaux : les Non Crimp Fabrics (NCF). Ceux-ci étaient tout d’abord à base de fibres de verre uniquement, puis au début des années 2010, les renforts NCF réalisés à partir de couches (plis) fines en fibres de carbone étalées, nommés C-PlyTM, ont été mis au point. C’est sur cette technologie que nous nous sommes
Construction : Renfort NCF biaxial, composé de deux plis orientés à +45 degrés et -45 degrés, ayant un aspect de surface supérieur aux renforts biaxiaux à 0 et 90 degrés. Composition : Mèches de carbone de module intermédiaire (IM) de titre élevé,
supérieur à 12K permettant d’obtenir les propriétés mécaniques nécessaires, tout en restant économiquement raisonnable. Les trois fibres candidates pour ce projet étant les suivantes :
T800SC 24K 10E 1040 tex de Toray. IMS65 24K E23 830 tex de Toho Tenax. IM7 12K GP 446 tex d’Hexcel.
Propriétés :
Masse surfacique faible, inférieure à 50 g/m² par pli et donc inférieure à 100 g/m² pour le renfort total.
Qualité d’aspect avec un taux de couverture supérieur à 98 % pour avoir une surface régulière.
Bonne déformabilité pour s’adapter à la forme complexe de l’aube sans créer d’irrégularités.
Pour répondre à ces exigences, nous avons travaillé sur plusieurs sujets. Tout d’abord, nous avons commencé par l’optimisation du procédé d’étalement des fibres de carbone pour atteindre la cible de poids visée, inférieure à 50 g/m². Puis nous nous sommes ensuite concentrés sur l’assemblage des plis par couture, donnant la tenue du matériau NCF, afin de répondre aux objectifs d’aspect et de déformation. Nous donnant ainsi les clés pour réaliser le renfort ayant les qualités nécessaires pour être ajouté sur les préformes 3D des aubes. L’exposé de nos travaux, des moyens et des méthodes mises en œuvre et des résultats obtenus se déroule de la façon suivante (Figure I.3) :
Dans le premier chapitre, nous avons réalisé une étude bibliographique des différents éléments clés dans le but de poser les bases permettant de mener à bien ce projet. Nous avons commencé par faire un bref rappel sur les matériaux composites, puis nous nous sommes focalisés plus précisément sur les fibres de carbone et les technologies permettant de les étaler pour réaliser des plis extra-fins. Puis nous avons défini la notion de matériau NCF et décrit les différentes étapes de fabrication.
Ensuite dans le chapitre 2, dans le but d’atteindre la cible d’un pli régulier et couvert, inférieur à 50 g/m², nous avons travaillé sur l’étude et l’optimisation de l’étalement des fibres de carbone par un procédé utilisant des vibrations transversales. Dans un premier temps, nous avons mis au point une méthodologie permettant de quantifier l’étalement. Celle-ci nous a permis de définir un « point 0 » de la technologie d’étalement de base utilisée par Chomarat. Dans un second temps, nous avons étudié et mis en œuvre plusieurs solutions d’amélioration afin de définir la configuration optimale d’étalement des trois fibres de carbone candidates.
Dans le chapitre 3, nous nous sommes concentrés sur les exigences concernant l’aspect et la déformabilité du renfort NCF. La couture liant les différents plis du NCF est un élément important puisqu’elle assure la tenue du renfort et donc sa capacité à être manipulé et à s’adapter ou non à une forme complexe. Pour étudier ce paramètre et définir la combinaison optimale, nous avons mis au point une machine de laboratoire permettant de réaliser une grande variété de points de couture et des dispositifs permettant d’analyser la couverture et la déformabilité.
Enfin la réalisation de renfort NCF répondant aux besoins du tissu de surface a été traitée dans le chapitre 4. Dans un premier temps, en utilisant les résultats du chapitre 2, nous décrivons les différentes étapes de fabrication d’une nappe inférieure à 50 g/m² puis dans un second temps nous évoquons la réalisation du NCF et l’assemblage par le point de couture idéal défini dans le chapitre 3. Et pour finir nous avons caractérisé les renforts réalisés.
Chapitre 1.
Étude bibliographique
Sommaire
1.1 Introduction
Afin de cadrer le sujet, nous avons choisi dans ce chapitre bibliographique, de cibler les éléments clés de l’étude et de les décrire dans le but de comprendre les solutions techniques envisagées pour mener ce projet à terme. Notre objectif est de développer un renfort Non Crimp Fabric (NCF) à base de couches (plis) extra-fines en fibre de carbone de module intermédiaire. Celui-ci sera drapé et sur-injecté sur la préforme 3D d’une aube pour améliorer l’aspect irrégulier de la surface. Il devra donc être parfaitement régulier et capable d’épouser la forme complexe de l’aube sans créer de défaut de surface.
Le projet ayant pour but d’améliorer les technologies nécessaires à la fabrication d’un renfort répondant aux exigences citées précédemment, nous avons donc effectué une étude bibliographique sur les matériaux et les technologies que nous aborderons au cours de l’exposé de nos travaux de recherche. Nous commencerons tout d’abord en faisant un bref rappel sur les matériaux composites en général. Puis nous décrirons les fibres techniques et les renforts textiles les plus utilisés afin de comprendre le choix de mettre au point un NCF extra-fin en fibre de carbone pour l’application visée. Ensuite, nous nous focaliserons sur les technologies permettant de réaliser ce type de renfort. Nous décrirons l’état de l’art que nous avons réalisé sur les technologies d’étalement existantes (actuellement sur le marché ou en cours de développement) et nous aborderons plus en détail la méthode d’étalement utilisée dans l’atelier de la société Chomarat pour réaliser des plis fins. Pour finir, nous approfondirons la notion de NCF en décrivant les étapes de fabrication de ce type de renfort et leurs propriétés physiques et mécaniques.
1.2 Les matériaux composites
Dans cette partie, nous commencerons par introduire rapidement la notion de matériau composite, puis nous nous focaliserons sur le composant qui nous intéresse dans cette étude à savoir le matériau textile. Pour cela nous commencerons en détaillant les principales fibres techniques et nous poursuivrons avec les structures textiles les plus utilisées comme renfort de matériau composite.
1.2.1 Définition
Les matériaux composites sont composés d’au moins deux éléments non miscibles qui travaillent ensemble pour donner des propriétés mécaniques supérieures à celles des matériaux de base utilisés. Ils sont par définition fortement hétérogènes.
fibre/résine, lui-même dépendant du procédé de mise en œuvre. Mais aussi par l’interphase entre les deux matériaux car si il n’y a aucune cohésion entre le renfort et la matrice, la transmission des efforts ne se fera pas correctement ; le matériau sera plus fragile. Pour obtenir une bonne adhésion, les fibres de carbone subissent des traitements de surface et les formulations chimiques de la résine et de l’ensimage qui recouvre la fibre de carbone ne cessent d’être améliorées pour permettre une bonne compatibilité entre les deux éléments. Pour résumer les propriétés finales du matériau composite dépendent :
Des propriétés des fibres et de leur ensimage. Des propriétés de la résine.
De la géométrie du renfort.
Du taux de fibre dans le composite.
Nous allons maintenant nous concentrer plus en détail sur la partie textile du matériau composite. Les différents types de résine et les procédés de mise en œuvre des composites sont décrits en Annexes A et B.
1.2.2 Les textiles dans les matériaux composites
Il existe de nombreux types de fibres techniques et de structures textiles. Ceux-ci sont choisis en fonction des propriétés que l’on souhaite conférer au matériau composite.
1.2.2.1 Les fibres techniques
Les fibres hautes performances utilisées dans les matériaux composites sont le fruit de l’innovation qui ne cesse de progresser pour atteindre des propriétés spécifiques toujours plus importantes. Les 3 types de fibres principalement employées dans les composites sont l’aramide, le carbone et le verre [3]. Elles sont sélectionnées pour des applications spécifiques en fonction de leurs propriétés physiques, mécaniques, chimiques, thermiques et de leur prix. La fibre de carbone (Figure 1.1)
Elle a d’excellentes propriétés mécaniques et malgré son prix relativement élevé, la production continue d’augmenter d’année en année. Au cours de nos travaux, nous utilisons différentes fibres de carbone, nous allons donc approfondir le sujet après avoir énuméré les fibres et structures textiles existantes.
La fibre de verre (Figure 1.2)
Grâce à son faible coût et ses bonnes propriétés mécaniques, le verre est un des matériaux les plus utilisés (dans plus de 90 % des composites), principalement dans le nautisme, l’éolien … Ses propriétés mécaniques sont toutefois inférieures à celles du carbone.
Figure 1.2 - Mèche de verre du fabricant OWENS CORNING [5]
La fibre d’aramide (Figure 1.3)
Les noms commerciaux les plus connus sont le Kevlar, le Nomex ou encore le Technora. Ce sont des fibres d’aramide développées respectivement par DuPond et Teijin. Elles sont principalement utilisées dans la balistique pour leur faible densité, leurs propriétés de traction et d’amortissement de vibration.
Figure 1.3 - TWARON (aramide) du fabricant TEIJIN [6]
Les fibres naturelles (Figure 1.4)
Des fibres naturelles, telles que le lin, sont aussi utilisées comme renfort pour leur côté écologique mais le manque de maîtrise des facteurs environnementaux entraine des problèmes de répétabilité de leurs propriétés physiques et mécaniques.
1.2.2.2 Les structures textiles
Les renforts des matériaux composites sont constitués des fibres techniques décrites dans le paragraphe précédent assemblées sous forme d’une surface textile. Dans ce paragraphe nous avons recensé les géométries de renfort les plus communes parmi lesquelles nous retrouvons les multiaxiaux, les tissus, les tricots, les tresses et les non-tissés.
Les « tissus » multiaxiaux
Ces renforts sont appelés « Non Crimp Fabric » (NCF). Ils sont fabriqués sur une machine multiaxiale et sont constitués de plusieurs couches unidirectionnelles orientées suivant des directions différentes et assemblées par des fils de couture (Figure 1.5). Comme nous allons nous concentrer sur ce type de renfort dans la suite des études, nous reviendrons plus en détail sur leur fabrication et leurs caractéristiques dans un paragraphe dédié aux NCF.
Figure 1.5 - Schéma de construction d’un NCF [8]
Les tissus
Les tissus standards sont des tissus 2D
Le tissu est obtenu sur une machine à tisser. Il est constitué de fils de chaîne parallèles les uns aux autres (dans le sens de production) et de fils de trame (perpendiculaire aux fils de chaîne) qui s’entrecroisent selon un dessin prédéterminé, appelé « armure » (Figure 1.6). Celle-ci ainsi que la nature des fils et la contexture, c’est-à-dire le titre et le nombre de fils par centimètre dans le sens chaîne et le sens trame, définissent les caractéristiques physiques et les performances mécaniques du tissu.
Figure 1.6 - Armures classiques (a) Toile / (b) Sergé / (c) Satin
Kong and al. ont démontré en comparant la déformabilité d’un tissu avec un NCF par l’intermédiaire d’un test de traction de type « Bias Extension Test », que les NCF avaient une meilleure aptitude à se déformer alors que le tissu montrait plus de résistance au cisaillement à cause des entrecroisements des fils de chaîne et de trame [9].
Les tissus multicouches et « interlocks » sont des tissus 3D
Les tissus multicouches sont constitués de plusieurs tissus superposés et liés par des fils de chaîne ou de trame faisant des ascensions et descensions, c’est-à-dire en quittant leur niveau pour aller se lier avec le niveau supérieur ou inférieur.
Les tissus 3D interlocks (Figure 1.7) sont constitués de fils de chaine et de fils de trame travaillant sur plusieurs niveaux. Ils peuvent être obtenus sur une machines à tisser classiques ou sur une mécanique Jacquard de type UNIVAL 100 du fabricant Stäubli pour travailler des embuvages différents.
Figure 1.7 - Tissu interlock [10] Les tricots
Les tricots sont composés de fils dessinant des boucles, aussi appelées des mailles, qui s’entrelacent pour former une surface textile très appréciée pour sa déformabilité. Leurs propriétés physiques et leurs performances mécaniques dépendent du fil, du liage, de la jauge (nombre de fils par pouce) et de la LFA (Longueur de Fil Absorbée).
Il existe plusieurs types de tricot : Tricot trame : Maille cueillie
Ces tricots sont produits sur des métiers rectilignes ou circulaires, simple ou double fonture. Les fils forment des rangées de boucles qui s’entrelacent avec les boucles de la rangée précédente (Figure 1.8).
Tricot chaîne : Maille jetée
Ces tricots sont produits sur des métiers Chaîne ou Rachel. Les fils forment des colonnes de boucles qui s’entrelacent avec les boucles des fils voisins (Figure 1.9).
Figure 1.9 - Tricot maille jetée – Demi-simple [10]
Les tresses
Les tresses peuvent être plates, tubulaires ou directement sous la forme de la pièce finale (Figure 1.10). Elles s’apparentent aux tissus car elles sont constituées de fils qui s’entrecroisent selon une armure donnée, la différence réside dans le fait que les fils vont être placés en forme de spirale et vont successivement jouer le rôle de « fil de trame » et de « fil de chaîne ». Il est possible d’insérer une âme à l’intérieur ou même d’autres tresses précédemment réalisées. Les propriétés physiques et mécaniques de la tresse sont liées au fil utilisé mais aussi au nombre de fil, à l’armure et à l’angle de tressage.
Figure 1.10 - Tressage en forme [11]
Les non-tissés
Mat
Figure 1.11 - Mat de verre Non tissés et voiles
C’est un matelas de fibres assemblés par voie sèche (action mécanique comme l’aiguilletage), voie humide (jet d’eau, bain) ou voie fondue (spunbond, meltblown). La voie de fabrication et de consolidation est choisie en fonction de la nature des fibres (polymères, fibres naturelles, courtes, longues ou continues …) et de l’application.
Nappes unidirectionnelles, UD
Les filaments continus sont alignés dans le sens de production de la nappe et sont maintenus ensemble par de la résine, de la poudre ou un autre liant. Ces nappes seront ensuite déposées à la main sur un moule ou par l’intermédiaire d’une machine ATL (Automated Tape Laying). Cette construction est la meilleure candidate pour utiliser au maximum les propriétés mécaniques des fibres puisqu’elles ne subissent aucune ondulation. C’est ce qu’ont prouvé Bibo and al. [12] en comparant un UD, un tissu et un NCF en fibre de verre (Figure 1.12) et Dexter and al. [13] sont arrivés aux mêmes conclusions sur des renforts en fibre de carbone.
Figure 1.12 - Comparaison d’un UD, d’un NCF et d’un tissu [12]
1.3 Les fibres de carbone
La fibre de carbone est connue pour ses excellentes propriétés mécaniques et bien que son prix ne soit pas parmi les plus abordables, la demande continue d’augmenter comme nous pouvons le voir sur la figure 1.13, représentant l’augmentation de la capacité de production des principaux fabricants de fibre de carbone depuis 2003.
Figure 1.13 - Estimation de la capacité de production (en t) de fibre de carbone [14]
1.3.1 Histoire
L’invention de la fibre de carbone remonte au XIXème siècle et depuis les années 60 des améliorations notables ont permis d’améliorer leurs performances. [15]
Invention en 1880 : Thomas Edison et Joseph Saw ont obtenu un filament pour lampe à incandescence en carbonisant des fibres de coton et de bambou.
Réinvention en 1955 : National Carbon Company (USA) et Carbone Lorraine (F), par traitements thermiques de fibres et tissus de coton et de cellulose régénérée de type rayonne pour obtenir des textures carbonées pour des applications thermiques. Années 60 : Les recherches se dirigent vers les fibres de carbone HM (haut module)
Amélioration de l’orientation et de la tension des fibres de rayonne pendant la carbonisation par Union Carbide (USA).
Découverte de la possibilité d’utiliser le polyacrylonitrile (PAN) comme précurseur par A. Shindo de l’institut de recherche industrielle d’Osaka (Jap) et Watt et Philipps de l’Atomic Energy Research Establishment de Harwell (GB). Premier brevet sur la production de fibres de carbone (graphite) par A. Shindo. Années 70 :
Début de l’industrialisation des fibres de carbone à partir de PAN par Toray (J), Morgan Crucible (GB), Rolls Royce (GB), Courtaulds (GB) et Carbone Lorraine en collaboration avec Rhône Poulenc Textile (F).
Développement de fibres de carbone à partir de brais dit « mésophase » par Union Carbide.
Développement de fibres de carbone à partir de brais isotropes par Kureha (J) et Cerchar (F).
Utilisation de la fibre de carbone dans les cannes à pêche, les clubs de golf et l’industrie aéronautique et aérospatiale.
Années 80 : McLaren introduit la fibre de carbone dans les voitures de Formule 1. Aujourd’hui :
Les 2 principaux précurseurs sont le PAN et le brai. Les fibres de carbone fabriquées à partir de ces précurseurs sont respectivement nommées ex-PAN et ex-Brai.
D’autres précurseurs sont en cours de développement. Le projet Européen CARBOPREC FP7-NMP, piloté par le groupe Arkema, acteur majeur de la chimie mondiale, a débuté en janvier 2014. Ce projet consiste à développer des fibres de carbone à base de précurseurs issus de la cellulose ou de la lignine, 30 à 50 % moins cher que celles à base de PAN.
Alors qu’Oak Ridge National Laboratory (USA) utilise le polyéthylène pour le développement de fibre de carbone « low cost ».
Les fabricants de fibres de carbone continuent de travailler sur les formules chimiques et sur le procédé de fabrication pour fournir des fibres de carbone toujours plus performantes.
1.3.2 Fabrication des fibres de carbone
Les performances mécaniques d’une fibre de carbone sont principalement conditionnées par le choix de la nature, de la qualité du précurseur et des paramètres de fabrication à savoir la température et la durée des traitements thermiques.
Figure 1.14 - Fibres de PAN pendant l’étape d’oxydation – Zoltek [16]
Ensuite vient la carbonisation avec un gaz inerte entre 700°C et 1500°C de 2 à 10 min. Pendant cette étape 50 % de la masse du PAN oxydé est éliminée sous forme de gaz. La fibre devient une fibre de carbone de haute résistance (High Strength : HS) constituée de 90 à 97 % de carbone. La tension est contrôlée pendant toute l’étape dans le but de maîtriser l’arrangement des plans polyaromatiques qui vont donner les caractéristiques mécaniques de la fibre.
Puis l’étape de graphitisation est réalisée en plaçant la fibre sous un gaz inerte entre 2000°C et 3000°C pendant quelques minutes. Elle permet d’obtenir une fibre de module intermédiaire (IM), composée de 99 % de carbone, ce qui lui donne des propriétés mécaniques supérieures aux fibres HS comme nous pouvons le voir dans le Tableau 1.1.
Un traitement de surface est ensuite effectué afin d’améliorer l’affinité de la fibre avec la matrice car initialement la fibre de carbone est chimiquement peu réactive et a une faible adhérence avec les polymères.
Il existe plusieurs types de traitement de surface parmi lesquels nous pouvons trouver : Traitement physique : Whiskérisation (création de fibrilles le long du mono
filament).
Traitement chimique : Création de fonction hydroxyle, cétone et carbonyle pour augmenter l’affinité fibre/matrice.
Figure 1.15 - Procédé de fabrication des fibres de carbone [15]
Les fibres de carbone ex-Brai sont obtenues de la manière suivante :
La fabrication de fibres ex-Brai est très proche de celle des fibres ex-PAN. Le brai est un mélange d’hydrocarbures aromatiques issus de résidus de houille ou du pétrole. Les filaments subissent les mêmes traitements thermiques que le PAN pour fabriquer des fibres de carbone.
Pour la fabrication des fibres ex-Brai, l’étape d’oxydation sert à rendre infusible la fibre avant carbonisation.
Lors des étapes de carbonisation et de graphitisation, il n’est pas nécessaire de maintenir les fibres sous tension. Comme le brai contient plus de carbone que le PAN, les fibres ont un plus faible retrait.
Les étapes de fabrication des fibres de carbone ex-Brai permettent d’obtenir des fibres de haut module HM ayant des propriétés mécaniques supérieures aux fibres HS et IM (Tableau 1.1) car elles ont un taux de cristallinité supérieur aux fibres ex-PAN et donc un module plus élevé.
1.4 Les technologies d’étalement
L’étalement des fibres de carbone a pour objectif la réalisation de nappes unidirectionnelles, appelées plis, très fines et régulières, présentant des atouts majeurs. Les avantages des plis fins sont les suivants :
Les plis fins sous forme de nappes UD pré-imprégnée, de NCF extra-fin ou de tissus étalés peuvent être utilisés comme tissu de peau afin d’améliorer significativement l’aspect de surface d’une pièce composite en minimisant l’ajout de poids supplémentaire. C’est un atout intéressant dans la course aux performances.
Ils peuvent aussi être utilisés comme matériaux de structure : Les avantages des plis fins sont très détaillés dans la littérature. De nombreuses équipes de chercheurs travaillent sur le sujet depuis plusieurs années. Parmi les plus connues, nous pouvons citer les équipes de Kawabe, Yokozeki, Tsai et Amacher. Elles ont effectués des tests statiques, en fatigue et à l’impact et sont parvenues à prouver le gain significatif de performance permis avec les plis fins, [18], [19], [20], [21].
Un gain économique : L’étalement des fibres de carbone pour la fabrication de plis fins est aussi une innovation économique puisque cette méthode permet d’utiliser des fils de plus de 12 000 filaments (fils de titre élevé plus abordables) pour fabriquer des plis plus fins et plus légers que les tissus de faible grammage généralement fabriqués à partir de fil de 1K ou 3K extrêmement onéreux, [22], [23].
Dans cette partie nous allons présenter les différentes technologies développées pour étaler des fibres de carbone puis nous ferons un zoom sur la machine d’étalement du fabricant LIBA (D), présente dans la société Chomarat.
1.4.1 État de l’art
Une étude approfondie des brevets et publications scientifiques sur le sujet de l’étalement des fibres nous a permis de réaliser un état de l’art des technologies d’étalement existantes en milieu industriel et en cours de développement. Nous avons classé ces procédés selon trois groupes : mécanique statique, pneumatique et mécanique dynamique.
Mécanique statique : Étalement par embarrage
Les procédés mécaniques d’étalement par un système d’embarrage sont décrits dans les brevets suivants :
Figure 1.16 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet US 7 536 761 B2
EP 0 972 102 B1 : Procédé pour la réalisation de nappes fibreuses multiaxiales - Hexcel et SNECMA [23]. Un fil passe par un dispositif de démêlage (12) puis un système d’ajustement de tension (18) avant d’être étalé en passant sur plusieurs barres bombées (22) (Figure 1.17).
Figure 1.17 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet EP 0 972 102 B1
Le procédé d’étalement par embarrage est aussi utilisé par le fabricant de machines textiles Karl Mayer (Chemnitz, Allemagne). Les fils passent alternativement sous et sur des barres fixes chauffantes, engendrant des tensions et des frottements élevés qui vont obliger les filaments à s’étaler pour équilibrer les tensions internes (Figure 1.18).
Figure 1.18 - Système d’étalement par embarrages de Karl Mayer
Pneumatique : Étalement par flux air
Cette méthode d’étalement apparait régulièrement dans la littérature liée aux plis fins, elle est connue pour être très efficace et ne pas dégrader les filaments.
Plusieurs brevets ont été déposés pour cette technologie :
EP 0 837 162 B1 Multi-filament split-yarn sheet, and method and device for the manufacture thereof – Fukui Prefectural Government [25].
EP 2 213 775 B1 Method of producing a spread multi-filament bundle and an apparatus used in same – Fukui Prefectural Government [26].
EP 2 436 809 B1 Method for spreading fiber bundles, spread fiber sheet, and method for manufacturing a fiber-reinforced sheet – Fukui Prefectural Government [27]. EP 1 548 166 B1 Opening machine for bundled fibers – Harmoni Industry Co [28].
De façon générale dans ces 4 brevets, les fils passent au-dessus d’une buse d’aspiration (Figure 1.20). Le flux d’air, voulant se créer un chemin à travers le fil, va obliger les filaments à se séparer pour équilibrer les différences de pression entre les côtés et le dessus du fil comme nous pouvons le voir sur le schéma suivant (Figure 1.19).
Figure 1.19 - Schéma représentant l’écartement des filaments par le flux d’air
Les quatre brevets présentent différentes adaptations où sont ajoutés:
Un système d’ajustement automatique de la tension car c’est une technologie qui obtient des bons résultats sous faible tension.
Un système de vibration verticale amenant un phénomène de tension/détension améliorant l’étalement. Le fil subit des phases de détension qui entrainent un relâchement des filaments et augmentent l’efficacité du flux d’air et des phases de tension qui permettent aux filaments de se réorganiser.
Une chauffe, des embarrages et de la vibration transversale pour faciliter l’étalement et améliorer la cohésion entre les fils.
Mécanique dynamique : Étalement par vibration transversale
Cette méthode est présentée dans les deux brevets suivants. C’est aussi le procédé mis en place sur les machines d’étalement du fabricant LIBA. Celui-ci sera décrit plus en détail dans le paragraphe suivant.
US 04 959 895 A Method and apparatus for spreading monofilaments forming strand - Branson Ultrasonics Corporation [29]. Les fils passent successivement sur et sous des barres vibrantes qui vont forcer les filaments à se séparer (Figure 1.21).
Figure 1.21 - Schéma du procédé d’étalement décrit dans le brevet US 04 959 895 A EP 0 302 449 A2 Method of reducing open spaces in woven fabrics - Mitsubishi Rayon
Co. Ltd. [30]. Ce système permet d’étaler des tissus pour augmenter le taux de couverture et améliorer l’aspect. Il est composé de deux ou trois rouleaux dont un effectuant un déplacement transversal (vibration) en pression sur les autres (Figure 1.22).
Autres technologies d’étalements existantes
Dans la littérature on peut trouver de nombreux autres systèmes d’étalement qui ont été développés et brevetés ou sont encore en cours de développement : ceux-ci utilisent des systèmes acoustiques, des pièces de profil convexe, des bains, des jets d’eau … comme expliqué dans les brevets et publications suivantes.
EP 0 467 313 A1 : Method and system for spreading a tow of fibers - Université du Michigan [31].
FR 2 618 456 : Procédé et dispositif pour l'étalement en continu de fibres fragiles - CNES [32].
FR 2 148 729 : Procédé et installation de fabrication d’une nappe de filaments - Institut Textile de France [33].
TEXCOMP 11 Conference : New spread fiber tow manufacturing system for thin materials and composites [34].
Technical Textiles, vol 55, n°5 : Technology for spreading and further processing of carbon fiber heavy tows [35].
Ces différentes technologies ne sont pas aussi efficaces et fiables que celles détaillées précédemment et de plus, elles ne sont pas à notre connaissance utilisées dans l’industrie, c’est ce qui explique que nous ne nous sommes pas attardés sur leurs descriptions.
1.4.2 Machine d’étalement du fabricant LIBA
Dans l’objectif de réaliser des plis fins inférieurs à 50g/m², nous avons étudié en détail chaque partie de la machine d’étalement que nous avons dans l’atelier Chomarat. C’est pourquoi nous avons choisi de dédier un paragraphe à sa description.
Figure 1.23 - « Spreading machine UD60006» du fabricant LIBA [8]
Les fils de carbone sans torsion ou détordu par le fabricant sont déroulés à plat depuis un cantre pour ne pas créer de torsions lors du dévidage.
Pour gérer la tension des fils et éviter les variations entre les bobines et à l’intérieur d’une même bobine entre le début (gros diamètre) et la fin de la bobine (petit diamètre) ; afin d’obtenir une nappe régulière dans la largeur et la longueur, nous avons choisi de remplacer le cantre standard avec des freins à bande par un cantre équipé de broches électroniques EGA system (Figure 1.24) du fournisseur TEXMER (D). Ce cantre est muni d’un calculateur qui mesure en temps réel la vitesse de la machine et la vitesse de rotation des broches, ce qui lui permet de calculer le diamètre instantané de la bobine et la tension du fil et d’envoyer l’ordre à chaque moteur de réajuster la tension de dévidage des broches.
L’ajustement de la densité et l’alignement des fils est une étape très importante, d’une part pour la qualité de la nappe puisque la masse surfacique est conditionnée par la densité des mèches et d’autre part pour la régularité de masse surfacique sur la largeur qui dépend de l’alignement et l’écartement entre les fils.
Pour gérer ces deux paramètres, les fils passent par un volet d’alignement (Figure 1.25) qui agit comme un peigne permettant d’avoir un écartement constant entre les fils et d’ajuster la densité grâce à une liaison pivot qui le lit au bâtit.
Figure 1.25 - Volet d’alignement
Le guidage des fils permettant de calibrer leur largeur, de maintenir leur position et d’affiner l’ajustement de la densité, est ensuite assuré par un peigne de guidage. Chaque peigne est propre à une référence de nappe car il n’est pas possible d’utiliser un peigne ayant une densité spécifique pour fabriquer des nappes de masse surfacique différente à partir de fils de titre différent.
Pour fabriquer un peigne, il faut connaitre le nombre de fils nécessaire (Équation 1.2), leur largeur et l’espacement à mettre entre chaque fil qui est à déterminer en fonction de la largeur du peigne et de l’expérience.
Calcul du nombre de fils :
⁄ /1000
⁄ /1000²
(eq. 1.1)
(eq. 1.2)
vibrantes (Figure 1.26), sur lesquelles passent les fils, effectuant une vibration transversale (dans le plan de la nappe de fils, perpendiculaire au sens machine) afin d’élargir ces fils de carbone. Il est possible de régler le déphasage entre les barres successives, soit de 90°, soit de 180°, l’amplitude de vibration de 3 ou 6 mm et la fréquence de vibration qui peut varier de 0 à 47Hz. Une autre série de quatre barres fixes est placée au-dessus de la nappe de fils pour appliquer une pression verticale, qui va générer des frottements, donc de la tension, et permettre aux fils d’être plaqués sur les barres vibrantes (Figure 1.27). Il est possible d’ajuster la hauteur de ces barres en fonction du taux d’étalement souhaité et de la fragilité des fibres de carbone.
Figure 1.26 - Module d’étalement par vibration
En résumé, la chauffe ramollit l’ensimage pour permettre aux filaments de s’épanouir, les barres d’embarrage appuient sur les fils pour créer du frottement, appliquer de la tension qui va forcer le fil à s’aplatir, s’élargir et se plaquer sur les barres vibrantes qui ont pour rôle d’étaler les fils. Une fois qu’ils sont suffisamment étalés pour pouvoir sur rejoindre, la vibration va permettre de mélanger les filaments des fils côte à côte pour former une nappe régulière et cohésive.
Figure 1.27 - Schéma du dispositif d’étalement
possible de la fixer en ajoutant une faible quantité de poudre thermoplastique ou thermodurcissable. Celle-ci est déposée par le poudreur représenté sur la figure 1.28. Elle est ensuite réactivée en passant sous une chauffe IR puis calandrée.
Figure 1.28 - Dispositif de fixation
Dans le procédé des NCF carbone étalés, la nappe est ensuite enroulée sur une ensouple (Figure 1.29) puis déroulée sur les stations de déroulage de la machine multiaxiale.
Figure 1.29 - Enroulage avec le papier
Cette machine d’étalement est efficace et permet de fabriquer des nappes de très bonne qualité jusqu’à 75 g/m² minimum en fibre haute résistance T700S 12K et 100 g/m² en fibre de module intermédiaire T800S 24K de Toray, cependant le développement de plis toujours plus fins nous met face à plusieurs challenges.
Dans un premier temps, le choix de la fibre est important car elles sont toutes différentes de par le titre, l’ensimage ou encore le diamètre et le nombre de filaments et par conséquent elles n’auront pas toutes la même capacité à s’étaler ni les mêmes limites. Certaines fibres sont plus fragiles ce qui augmente le risque de filaments cassés, d’autres ont des filaments moins bien alignés et vont être plus difficiles à étaler, d’autres encore peuvent
Poudreur
Chauffe IR
aussi être plus ou moins collantes à cause de l’ensimage. Le choix de la fibre de carbone de module intermédiaire la mieux adaptée à la fabrication des plis fins sera abordé dans le chapitre suivant.
Dans un second temps, les réglages de la machine sont très critiques quand il s’agit de plis fins, car il ne suffit pas de pousser tous les paramètres au maximum pour étaler les fils au maximum sans les endommager. Pour cela dans le chapitre suivant nous allons utiliser la méthode des plans d’expérience afin de déterminer les limites de la technologie actuelle. Puis nous l’améliorerons en ajoutant des équipements complémentaires que nous tenterons aussi de modéliser pour connaître la configuration optimale pour aboutir à la cible des plis extra-fins inférieurs à 50 g/m².
1.5 Les Non Crimp Fabrics
Le NCF ou Non Crimp Fabric, aussi appelé Multiaxial Multiply Fabrics (MMF) ou en français renfort multiaxial est un type de construction textile bien distinct qui diffère des constructions standards de renfort pour composite comme les tissus ou les UD pré-imprégnés.
1.5.1 Définition
Le Non Crimp Fabric est comme son nom l’indique un « tissu » sans ondulation. Il est constitué de nappes UD superposées (et non entrecroisées), composées de filaments continus. Ces nappes sont placées selon des orientations souhaitées puis assemblées mécaniquement par un fil de couture très fin, non structurel qui permettra de faciliter la manipulation et de réduire les temps de mise en œuvre car plusieurs plis pourront être drapés simultanément. Généralement, ce sont des empilements de 2 à 4 plis orientés à 0°, 90°, + et -45° (Figure 1.30) mais ils peuvent avoir des directions moins conventionnelles comme les angles étroits, les « Shallow angles », jusqu’à 20°. Ces orientations sont définies en fonction de l’application finale de la pièce et des contraintes qu’elle va subir.
Figure 1.30 - Orientation des plis
œuvre selon le procédé RTM ou infusion par exemple. Le NCF est aussi une bonne alternative au tissu puisqu’il permet d’avoir des fibres dans plusieurs directions différentes de 0 et 90° et en plus, il évite la diminution des propriétés mécaniques liée aux ondulations des filaments à l’intérieur d’un tissu standard.
1.5.2 Fabrication d’un NCF
Il existe plusieurs types de NCF, dans ce paragraphe nous allons décrire les NCF standards faits à partir de fils non étalés puis nous décrirons les améliorations apportées à la machine multiaxiale pour fabriquer un NCF à partir de nappes étalées. [37]
1.5.2.1 NCF standard non étalé
Les NCF standard sont faits à partir de fils directement tirés à partir des cantres. Ces fils sont alignés côte à côte et passent à l’intérieur d’un peigne qui va conditionner leur position et donc la densité et la masse surfacique comme indiqué en figure 1.31. Ce peigne est fixé sur un trameur qui se déplace en aller-retour suivant l’orientation du pli souhaitée et dépose ces fils sur le tapis convoyeur et dans des chaînes de transport à picots situées de part et d’autre de celui-ci. Les picots permettent de retenir les fils lorsque le trameur a fini le chemin aller et s’apprête à faire le retour et permettent aussi de les transporter jusqu’à la zone de couture. Ces machines sont appelées Continuous Weft Insertion car le fil est tramé de manière continue, sans découpe, ni arrêt.
Il y a un trameur pour chaque direction hormis pour le pli à 0° où les fils sont directement tirés depuis les cantres et positionnés dans un peigne qui définit la densité juste avant la tête de couture.
Figure 1.31 - Trameur de fils de verre
