Physique des Procédés Composites

L’action de recherche physique des procédés composites se focalise sur l’ensemble des phénomènes thermo-physiques prenant place au sein des procédés d’élaboration ou de mise en forme de matériaux composites à matrice polymère. Ces travaux sont à vocation applicative et portent généralement sur des problématiques scientifiques inspirées des verrous technologiques apportés par les partenaires industriels. Les thèmes de recherche historiques sont le développement de modèles thermocinétiques adaptés aux conditions industrielles de la mise en forme, et de méthodologies pour le contrôle thermique optimal des systèmes chauffants permettant la maîtrise des distributions de propriétés des pièces composites et polymères. De plus en plus, les travaux s’orientent vers la prise en compte des couplages multiphysiques inhérents à ces problèmes de mise en forme (thermo-mécanique, chémo-rhéologie, thermo-adhésion…) et intègrent des approches multi-échelles en thermique. En parallèle aux travaux de modélisation, se développe très fortement l’axe expérimental dont l’objectif générique est de mettre au point des appareils de caractérisation multifonctionnels, permettant l’obtention simultanée de propriétés thermiques, mécaniques et cinétiques, dans des conditions représentatives des situations de mise en forme réelles.

Les chiffres clés (depuis 2020)

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Focus : Banc TACOMA

Le banc TACOMA permet le soudage d’échantillons stratifiés de composites thermoplastiques sous conditions contrôlées de température et de pression. Sa conception en cuivre avec canaux de refroidissement au plus proche de l’échantillon permet d’effectuer des soudages isothermes arrêtés (par refroidissement brutal). La qualité mécanique de l’adhésion peut alors être évaluée à l’aide d’essais de double poutre encastrée . Le banc TACOMA v2 est l’aboutissement d’une dizaine d’année de développement et d’améliorations continues. Il est aujourd’hui également largement utilisé en prestation par la cellule Capacités.

Partenaires industriels

Interfaces et adhésion

La thermoadhésion de polymère et composites thermoplastiques est un phénomène physique qui intervient dans de nombreux procédés de mise en forme. La bonne prédiction de la qualité de l’adhésion est donc un prérequis primordial pour pouvoir alimenter des outils prédictifs de simulation de mise en forme.

L’adhésion est un phénomène multiphysique qui couple la thermique (température à l’interface, résistances thermiques de contact), la mécanique (pression à l’interface, écrasement de rugosités), la physico-chimie (état cristallin, diffusion de chaînes macromoléculaires). Des outils numériques et expérimentaux sont développés au LTEN afin de proposer des lois d’évolution de la qualité d’adhésion.

Le banc TACOMA permet le soudage de coupon composite sous conditions contrôlées de température et de pression. La qualité mécanique de l’adhésion peut alors être évaluée à l’aide d’essais de double poutre encastrée.

Les cinétiques d’adhésion peuvent ainsi être identifiées (figure). L’implémentation dans les codes de calculs permet alors de prédire l’adhésion pour une histoire thermo-mécanique quelconque. C’est par exemple ce qui a été fait pour le procédé de fabrication additive FFF.

Publications

Partenaires

Famille des PVT

La caractérisation des propriétés thermo-physiques des polymères et composite est nécessaire pour alimenter les modèles et la compréhension des procédés de mise en œuvre. Au LTeN, nous nous attachons à caractériser ces propriétés sous conditions représentative des procédés (haute pression, cycle thermique représentatifs…).

La série des PVT (PVT-alpha, PVT-XT, PVT-HADDOC), conçus et fabriqués au LTeN vise à identifier les comportements régissant les couplages entre thermique (chaleur spécifique, exothermie), mécaniques (retraits, modules) et changement d’état (réticulation, cristallisation).

Publications

Partenaires

Microtomographie-RX in situ

L’instrumentation et la mesure est nécessaire afin de valider les prédictions des modèles multiphysiques associés aux procédés de mise en forme. L’instrumentation thermique mais aussi mécanique (suivi d’épaisseur, cellules de force…) au sein même des matériaux lors de leur mise en œuvre est une des spécialités du LTeN.

L’observation par micro-tomographie X des phénomènes rapides tels que la déconsolidation de stratifiés composites, peut nécessiter l’utilisation de grands instruments (synchrotron).

A l’opposé, l’instrumentation thermique fine par thermocouple et capteurs de flux est nécessaire pour comprendre et caractériser les phénomènes de chauffage rapide tels que le chauffage laser dans le procédé AFP.

Publications

Partenaires

La cristallisation dans des conditions extrêmes

Les matrices polymères hautes performances sont souvent semi-cristallines. Les conditions de mise en œuvre de ces polymères et leurs composites sont extrêmes : vitesse de chauffe et de refroidissement, grandes déformations et vitesses de déformation, confinement entre fibres, dégradation de la matrice… autant de conditions qui rendent la prédiction de la cristallisation difficile. Au LTeN, des moyens de caractérisation spécifiques et des outils de modélisation cinétique, généralement multiphysiques, sont développés. L’objectif est de proposer des outils de prédiction de la cristallisation applicables aux situations industrielles.

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