Groupe MSC > Axe Matériaux, Propriétés et Procédés

Animateur : Gérard Bernhart
Co-animateur : Francis Collombet

Activités de l'axe


Les travaux de l’axe Matériaux, Propriétés et Procédés sont déclinés suivant quatre thèmes principaux : Simulation des procédés, Procédés émergents, Outillages, Matériaux et méthodes innovantes pour l’étude multi-échelles des propriétés.

 

Thème 1. Simulation des procédés.

Les travaux concernent la simulation numérique des procédés d’injection ou d’infusion. Il s’agit d’une part, de l’injection de composites à matrice thermoplastique renforcés de fibres courtes (projet FUI INMAT soutenu par Airbus/Liebherr pour les composites à matrice PEEK et deux projets EPICEA 2009) et d’autre part, de l’infusion de résine dans des renforts fibres longues comme les textiles industriels multi-axiaux (cas des textures tricotées du projet FUS’COMP avec Socata). Les perspectives scientifiques concernent le développement et la validation d’un logiciel d’infusion 3D. Dans ce cadre, la méthode des éléments frontières, et un modèle 3D (basé sur les méthodes BEM et Level Set) seront utilisés pour la modélisation de l’écoulement à l’échelle des fibres et l’amélioration des méthodes de mesure de perméabilité des renforts. Il s’agit d’affiner les résultats de simulation de la phase d’imprégnation (optimisation des procédés voie liquide). Les travaux concernent également la modélisation de la polymérisation des composites à matrices thermodurcissables et l’identification des modèles de transformation et des diagrammes T-T-T de résines aéronautiques de types RTM6 et M21. Dans le cadre des études et du développement de composites tièdes,  le cas de l’infusion d’une part, de résines destinées à l’élaboration de matrices inorganiques de type carbone, et d’autre part, de résines de type géopolymère sont étudiés (projet FUI2009 COMPTINN’ avec SPS et Pyromeral Systems). Ces travaux portent sur le couplage des démarches d’expérimentation et de modélisation. Il faut également souligner la poursuite des développements des méthodes d’optimisation du chauffage des polymères dans des applications de « packaging » (deux post-doctorats) et leur orientation vers la mise en œuvre des composites.

 

Thème 2. Procédés émergents.

Les études concernent l’élaboration dynamique de composites à matrice organique par le chauffage par induction des outillages pour réduire les temps de cycles et les coûts de production de pièces composites à matrices thermodurcissable et thermoplastique. Un pilote procédé (procédé RocTool-Cage System) est en phase de mise en place au sein de la plate-forme MOMA. Une thèse sur la polymérisation rapide est en cours et une seconde thèse a démarré sur le thème « Matériaux thermoplastiques structuraux élaborés par thermo-compression dynamique» (projet FUI INMAT2). Il s’agit d’étudier les relations procédé/propriétés/ comportement de composites thermodurcissables et thermoplastiques élaborés à partir de cycles dynamiques de chauffe sous presse. Un autre procédé de chauffage est étudié en utilisant des lampes infrarouges (pilote de chauffage en cours d’investissement sur MOMA). Ce procédé permet d’adresser deux voies de développement. La première concerne la polymérisation sous lampes IR de composites à résine thermodurcissable. La seconde porte sur le formage et le gonflage de composites à matrice thermoplastique. Une thèse a démarré à l’automne 2009 en partenariat avec la société Toshiba Lighting Products sur la modélisation du chauffage IR de résines thermodurcissables. Il est notamment prévu de développer et de valider un logiciel de calcul du taux de polymérisation en fonction de l’énergie radiative absorbée. On note l’émergence du procédé par jet d’eau abrasif dont l’étude est abordée sous l’angle des capacités qu’il offre pour la réparation des pièces composites et sur le développement du procédé lui-même.

 

Thème 3. Outillages.

Une interaction forte existe entre ce thème et le thème n°4 intitulé «matériaux et méthodes innovantes pour l’étude multi échelle des propriétés». En effet, les matériaux et les méthodologies utilisés pour les outillages sont aussi le plus souvent innovants. On s’intéresse aux composites à matrices organique et inorganique. Il s'agit de l’optimisation de la conception, du dimensionnement et de l’étude de la durabilité de ces nouvelles solutions d’outillage. Il est prévu de poursuivre le développement de démarches d'optimisation thermique des moules basées sur la simulation numérique, en intégrant la prise en compte des canaux de chauffe et de refroidissement. Concernant les nouvelles solutions d’outillage, un projet EPICEA 2009 porte sur le développement d’un concept innovant d’outillage à base de bétons fibrés et de métal pour la mise en œuvre de composites aéronautiques et spatiaux. Un projet de recherche dans le cadre du DAS Aéromécanique du Pole Aerospace Valley sur les outillages économiques (en composites, en bétons fibrés…) pour la production de pièces composites est en réflexion. L’objectif de dépôt visé est 2010 sous un pilotage ICA avec le concours de PME et TPE de Midi Pyrénées. Cet aspect souligne avec force l’intérêt du développement d’une vision globale de la solution composite qui tranche avec les méthodes existantes pour atteindre des ratios effectifs « performance/coût ». Les problèmes d’interaction entre la pièce composite et l’outillage composite sont traités avec l’aide de l’outil « évaluateurs technologiques multi instrumentés ». Un accord cadre a été signé entre l'UPS et l'Université d'Ottawa (Canada). Il a été motivé par le dépôt d'un projet ANR Blanc France/Canada intitulé "Intégration Innovante de Fonctionnalités de Surface dans les Composites" (I2FSC) (avec le soutien des sociétés Eurocopter - site de la Courneuve - et Composites Expertise Solutions - TPE de Midi Pyrénées -). Il doit donner un élan significatif aux problématiques d’intégration de fonctions dans des pièces de grandes dimensions comme les outillages composites. Le programme international inspiré du dossier I2FSC a comme objectif, la réduction des coûts de production, le développement d’une surface active autodémoulante permanente présentant une dureté élevée, une conductivité thermique paramétrable, une instrumentation en température, en pression et en déformations ainsi qu’un pilotage localisé. Les travaux en cours au sein de l’axe portent sur l’influence du cycle de cuisson sur différentes propriétés du matériau et donc du moule afin de modéliser le rôle des variabilités associées à la réalisation d’un outillage avec un matériau composite dédié (matériau HexTOOL™). Un projet européen (LCM2T) est en cours de construction sur le thème « outillages low cost ».

 

Thème 4. Matériaux et méthodes innovantes pour l’étude multi-échelles des propriétés.

Les travaux de recherche menés sur ce thème (et plus généralement dans le groupe MSC) couvrent toutes les échelles d’étude des matériaux composites en allant de la microstructure à la pièce de structure de grandes dimensions. L’accent est mis sur la compréhension du comportement du composite pendant sa fabrication et ses réponses aux différentes sollicitations (y compris environnementales) pendant la vie en service d’une pièce. Les perspectives pour l’étude multi-échelles des propriétés sont déclinées suivant deux sous-thèmes : matériaux innovants et méthodes innovantes.

Matériaux innovants :

Les études sur l’optimisation du comportement des composites à renforts tricotés visent à améliorer la compréhension du comportement (par stéréo corrélation et analyse de la méso structure) et la modélisation (analytique et numérique) du comportement du textile. Cette modélisation sera utilisée pour la prévision de la perméabilité de ces textiles et du comportement de la pièce composite. Les études expérimentales et de modélisation du comportement thermomécanique endommageable de matériaux composites innovants à base de constituants inorganiques (bétons réfractaires fibrés, composites tièdes) seront réalisées. La caractérisation et la modélisation de l’influence de l’histoire thermique et environnementale sur les microstructures et les comportements thermomécaniques de ces composites constituent un pan important dans les problématiques liées à leur utilisation. Une thèse a démarrée à l’automne 2009 sur l’étude de nouveaux composites pour températures intermédiaires. Elle concerne la caractérisation des comportements thermomécaniques en relation avec les microstructures (constituants, interphases, textures…) et en fonction de l’environnement. Il s’agit de composites à matrice géopolymère. Le projet COMPTINN’ (déjà cité dans le thème « simulation des procédés ») porte aussi sur l’étude du comportement des composites tièdes à matrice inorganique. Des discussions sont en cours sur un projet de recherche industriel portant sur le comportement au frottement de composites carbone/céramique (démarrage possible en 2010). Un projet européen (piloté par Astrium) a été déposé auprès de l’ESA. Il concerne le dimensionnement probabiliste de miroirs de télescopes spatiaux à base de matériaux inorganiques monolithiques ou composites. Le projet INMAT est au cœur de la problématique « Matériaux innovants » et vise d’une part à développer un préimprégné fibres de carbone/matrice thermoplastique thermostable en intégrant dès la production la propriété de conduction dans l’épaisseur du pli unidirectionnel (introduction de charges conductrices) et d'autre part à développer des matériaux thermoplastiques structuraux obtenus à partir de textiles co-mélangés et par mise en œuvre de nouveaux alliages de thermoplastique. Deux thèses démarrent en 2009-2010 sur ces sujets.  Au 02/10/09, un projet relatif au développement d’un composite à structure fibreuse 3D et matrice polymère dopée a été soumis à la labellisation du pôle AESE. Ce projet impliquant notre axe est porté par Thalès systèmes Aéroportés à Pessac. Il est envisagé de soumettre ensuite ce projet au FUI selon les « end users » que Thalès pourra rassembler.

Méthodes innovantes :

A partir des projets EPICEA mis en place, la thématique de la réparation de pièces composites continuera d’être développée. Dans ce domaine, deux voies sont explorées. La première concerne la réparation de dommages mineurs liés à des impacts à faible énergie ne nécessitant aucun enlèvement préalable de matière. La voie actuellement suivie est celle de l’infusion de résine, ceci dans le cadre d'une coopération avec l’ONERA. La seconde porte sur la réparation de dommages majeurs sur les pièces primaires principales dans lesquelles il est nécessaire d’identifier et cartographier l’étendue du dommage, d’enlever de la matière sur avion directement  puis de reconstituer les propriétés mécaniques locales et globales de la structure en minimisant l’impact de ces actions sur la masse et la performance aérodynamique, tout en retrouvant une continuité électrique de surface (protection à la foudre, protection EMI...). Ce volet est développé en partenariat avec des entreprises toulousaines (Jedo Technologies et CES) en recherchant les possibilités de l’usinage par jet d’eau abrasif, en utilisant des méthodes de contrôle en cours de process et en s’appuyant sur les outils Evaluateurs Technologiques Muti-Instrumentés (ETMI). Il s’agit de valider les modèles numériques destinés à assurer une optimisation technique et économique du processus global de réparation. Cette action démarrée en 2006 est planifiée jusqu’en 2014 et de nouveaux partenaires industriels nationaux et internationaux devraient nous rejoindre dès 2010. Ceci nous permet, de fait, de travailler à la fois sur un processus innovant intégrant plusieurs procédés novateurs et sur les aspects compréhension et prédiction du comportement multi-échelle aux différentes étapes (propriétés initiales avant dommage, propriétés résiduelles après dommage et avant réparation, propriétés restituées après réparation). Cette action utilise l’expertise de l'axe MaPP sur l’expérimentation multi-instrumentée aux différentes échelles (FORB…) et permet des interactions avec le groupe MICS (déjà engagées lors de précédents travaux de thèse). La thématique de l’instrumentation à cœur, du monitoring et du Structural Health Monitoring (SHM) s’appuie sur le projet I2MC et se développera à la faveur de l'intensification de la collaboration internationale avec le Canada (2011-2012), en accord avec le souhait exprimé par le Comité de pilotage de la Fondation STAE. Venant en complément des plateformes déjà citées (MOMA et SurDyn), la plateforme d'essais dédiée à l'exploitation des ETMI associés à ce programme sera un maillon fort du développement de ces nouveaux capteurs et des méthodologies d’utilisation associées. Cela nous permettra à moindre coût de tester la robustesse des capteurs, des procédures et des approches numériques développées (cf. axe 1) dans des configurations totalement représentatives de structures industrielles. Ces structures pourront être issues de différents procédés (autoclave, enroulement filamentaire, RFI…).

Des travaux croisés entre les deux axes du groupe MSC sur le lien entre conditions de fabrication des pièces et enlèvement de matière se poursuivront notamment à partir des acquis du programme EPICEA OCAPECH (Stoc Production) et du programme OPERA (soutenu par le FUI et porté par la société Latecis). Une collaboration sur ce thème avec l'Inde est en construction (PSG College of Technology à Coimbatore). Enfin les liens privilégiés avec le CERMAC et le CRCC seront poursuivis et renforcés.


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