Analyse des écoulements dans les procédés de moulage des composites liquides

Thèmes abordés

Moulage des composites liquides, Liquid Composites Molding, Liquid Resin Infusion , Resin Film Infusion ,Moulage par injection de résine

Résumé du document

En aéronautique, l'élaboration via des pré-imprégnés n'est pas toujours adaptée à la fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Des procédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que le Resin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d'infusion de résine, comme le Liquid Resin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10% des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM, les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindre des pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèles mécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Par contre, les procédés d'infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles, par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Par conséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites et moyennes entreprises, car les investissements sont plus faibles par rapport à d'autres procédés de fabrication.

Les procédés LCM (Liquid Composite Molding) permettent d'élaborer des structures composites de grande taille à moindre coût tout en garantissant des propriétés finales élevées. Si le principe sur lequel s'appuient ces procédés est basique, leur maîtrise passe actuellement presque uniquement par des campagnes essais-erreurs très coûteuses, notamment par manque de modèles numériques fiables de ces procédés.

Extraits

[...] La classification des types de matrices couramment rencontrées est donnée sur la figure 1.1 a. Résines thermodurcissables Les résines thermodurcissables ont des propriétés mécaniques élevées. Ces résines ne peuvent être mises en forme qu'une seule fois. Elles sont en solution sous forme de polymère non réticulé en suspension dans des solvants. Les résines polyesters insaturées, les résines de condensation (phénoliques, amioplastes, furaniques) et les résines époxys sont des résines thermodurcissables. Les exemples de résines thermodurcissables classiquement rencontrées sont LY556. Les matériaux les plus performants ont des caractéristiques mécaniques élevées et une masse volumique faible. [...]

[...] Des études spécifiques traitant de la validité de la loi de Carman Kozeny sont nombreuses : o [GEBART 1992] a montrer expérimentalement pour un écoulement le long de mèches unidirectionnelles que l'équation de Carman-Kozeny donnait des résultats satisfaisants ; o [DANIEL 2000] a réalisé des études pour des renforts à très haut taux de fibre, obtenant des valeurs de perméabilité allant jusqu'à 3 De plus, ils arrivent à trouver des coefficients pour ajuster leurs courbes expérimentales aux courbes obtenues avec la relation de Carman-Kozeny (Equation 4.8 ) avec un assez bon accord ; o [SKARTSIS 1992] a réalisé une bonne revue sur la constante de Kozeny. Par exemple, dans le cas d'un écoulement transverse cette constante varie de 8 à 24 et pour un écoulement parallèle, elle varie entre 0.5 et selon les auteurs et les renforts utilisés. Notons que cette constante est souvent adaptée par les auteurs pour trouver le résultat. [...]

[...] On peut citer à titre d'exemple le débit maximal permis par la machine et qui ne doit pas dépasser une certaine valeur pour éviter une éventuelle déformation des fibres, ce phénomène est connu sous le nom de on peut donc résumer ces contraintes comme suit : Où , et sont respectivement les quantités maximales de débit, pression, et vitesse permise pour éviter le phénomène > finalement, la vitesse du front est calculée par une méthode d'éléments finis couplés à des volumes de contrôle (FEM/CV), cette vitesse qui sera injecté dans l'équation 4.6 pour calculer le débit de la prochaine itération, une boucle fermée est utilisée jusqu'à ce que le nombre capillaire à proximité du front approche sa valeur optimale, le débit résultant est utilisé comme condition limite pour avancer le front à une nouvelle position. Cet algorithme d'optimisation a montrer sa validité dans les deux cas isothermes et no isotherme La relation de Carman-Kozeny La relation de Carman-Kozeny a été établie à l'origine pour des milieux poreux granulaires. Pour obtenir l'expression de la perméabilité en fonction de la porosité du milieu, Kozeny a développé une expression de la perméabilité basée sur la tortuosité de capillaires (Figure 4.1 ) représentant les espaces entre mèches. [...]

[...] Plusieurs approches sont proposées dans la littérature, les deux principales étant : Le modèle capillaire de Carman-Kozeny ; Le modèle de cellule élémentaire de Gebart. Effet capillaire. L'écoulement de la résine à travers un renfort est régit par deux forces : capillaire et visqueuse. C'est pourquoi un nombre capillaire est introduit et est défini comme le rapport entre les efforts visqueux et ceux capillaires représentant les forces qu'exercent un liquide sur le solide. Ce nombre est évalué par en fonction de : l'angle de contact fluide solide, la viscosité, la tension superficielle, la vitesse du front d'écoulement : Où µ est la viscosité de la résine, est la vitesse de la résine, γ est la tension superficielle de la résine et θ est l'angle de contact. [...]

[...] Soit donc : Si on néglige maintenant les effets de pesanteur, la loi précédente, se simplifiée : domaine de validation de la loi de Darcy Pour des vitesses de filtration assez élevées, le gradient de pression croît plus rapidement avec le débit que ne le voudrait la loi de Darcy. Il existe donc une limite de validité de cette loi. Figure4. Définition Le gradient de pression au-delà duquel la loi linéaire de Darcy n'est plus utilisable dépend essentiellement du milieu considéré. Pour tenter de ramener ce gradient limite à une propriété intrinsèque du milieu, certains auteurs, comme J. Bear, ont défini un nombre de Reynolds caractéristique d'un écoulement en milieu poreux, sans dimension, par : q : Vitesse de filtration. [...]