INDUSTRIALISATION DE PIECES EN MATERIAUX COMPOSITES

INDUSTRIALISATION DE PIECES EN MATERIAUX COMPOSITES
ELABOREES PAR LE PROCEDE RESIN TRANSFER MOLDING (RTM)
S. MOUTON, D. TEISSANDIER*, Y. LEDOUX, P. SEBASTIAN
*correspondant du thème : [email protected]
Contexte général
La tenue mécanique d'une pièce élaborée par le procédé RTM est étroitement corrélée au
niveau d’imprégnation de la préforme. Le niveau d'imprégnation de la préforme altère les propriétés
mécaniques de la pièce fabriquée par rapport aux propriétés mécaniques nominales de la pièce. Le
niveau d'imprégnation d'une pièce peut être caractérisé par des macro et des micro pores
apparaissant pendant la phase d'injection du renfort. De plus, la phase de cuisson de la pièce génère
des contraintes résiduelles inhérentes aux différences de coefficients de dilatation thermique entre la
résine et les fibres constitutives du renfort. Ces contraintes résiduelles sont la cause d'écarts
géométriques qui peuvent être relativement importants. Une des conséquences des contraintes
résiduelles est que le processus d'assemblage installe des contraintes supplémentaires dans le sousensemble dans lequel la pièce est intégrée. Les contraintes résiduelles et les défauts d'imprégnation
ne sont en général pas pris en compte dans les calculs de tenue mécanique justifiant les formes et les
dimensions des pièces.
Ce travail a été réalisé en partenariat avec Dassault Aviation (site Anglet (64)).
Objectifs
•
Spécifier des solutions d'industrialisation cherchant le meilleur compromis entre :
o les défauts volumiques d'imprégnation (micro et macro pores),
o les contraintes résiduelles,
o la tenue mécanique de la pièce.
Exemples de résultats
Parmi les trois principales étapes de la gamme de fabrication d'une pièce réalisée en RTM
(drapage, injection et cuisson), la phase de drapage n'a pas été prise en compte dans ce travail.
Avant la phase d'injection, le renfort est considéré comme étant conforme à son modèle nominal
d'un point de vue géométrique et d'un point de vue matériau.
La phase d'injection permettant d'estimer les écarts volumiques d'imprégnation est simulée par
l'outil PAM RTM ; la phase de cuisson permettant d'estimer les contraintes résiduelle est simulée
par l'outil Samcef.
Trois critères de performance d'industrialisation ont été défini :
• un critère d'outillage Cr1 ; il est lié à la disposition des buses et des évents,
• un critère de cycle RTM Cr2 ; il est lié à la pression et à la température d'injection de la résine
pendant l'injection du renfort,
• un critère d'assemblage Cr3, critère de Hashin.
Une application a été développée pour visualiser les cartographies des trois critères. Par exemple,
la figure 1 illustre la cartographie de Cr1 pour la fabrication d'un longeron d'un aéronef.
Cr1 criterion
-1
(s.mm )
X
Z
Y
Figure 1 Cartographie du critère Cr1.
La détermination d'une solution optimale est réalisée par des outils de statistiques descriptives ou
par des algorithmes génétiques. Un outil graphique d'analyse du risque de rupture du longeron
fabriqué permet d'analyser les effets couplés des trois critères pour permettre au concepteur de
visualiser la performance d'une solution d'industrialisation (voir figure 2).
Global cartography of coupling values (R)
3000
1
2500
0
2000
1500
1000
X
500
Z
Y
15
0
Part a)
20
0
-20
RCr1
RCr2
1
0
3000
3000
2000
3000
1
0
2000
2000
1000
0
RCr3
1
0
1000
1000
0
0
Part b)
Figure 2 Cartographie du risque global de rupture intégrant les effets couplés des trois critères.
Perspectives
•
•
•
Caractériser expérimentalement les écarts volumiques d'imprégnation.
Simuler les trois phases de la gamme de fabrication : drapage, injection et cuisson.
Définir une méthode générique de transfert de spécifications de conception en spécifications
de fabrication pour une gamme de fabrication de pièce en matériaux composites.
MOUTON S., TEISSANDIER D., SEBASTIAN P., NADEAU J.P., Manufacturing requirements in design: The
RTM process in aeronautics, Composites: Part A, 41:125-130, 2010.
MOUTON S., LEDOUX Y., TEISSANDIER D., SEBASTIAN P., Validation of a composite spar design by
numerical simulations of the manufacturing process, Int J Adv Manuf Technol, 55: 421-431, 2011.
MOUTON S., LEDOUX Y., TEISSANDIER D., SEBASTIAN P., Genetic algorithm for design and manufacture
optimization based on numerical simulations applied to aeronautic composite parts, NUMIFORM 2010, Book
Series: AIP Conference Proceedings, Vol: 1252, pp: 1150-1159, Pohang (Korea), 2010.
MOUTON S., LEDOUX Y., TEISSANDIER D., SEBASTIAN P., Validation of a composite spar design by
numerical simulations of manufacturing process, 15th International Conference on Composite Structures ICCS
15, Porto, 2009.
MOUTON S., SEBASTIAN P., TEISSANDIER D., NADEAU J.P., Vers l’introduction de contraintes
d’industrialisation en conception préliminaire, 10ème colloque national AIP Primeca, 17-20 Avril 2007.