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Développement de méthodes de réparation des composites à matrice thermoplastique utilisant le soudage par induction

Vaur, Romain (2015). Développement de méthodes de réparation des composites à matrice thermoplastique utilisant le soudage par induction. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation des matériaux composites thermoplastiques à haute performance est enexpansion. Ces matériaux sont coûteux et leur endommagement structural impose trop souvent le changement complet de la pièce. Il est donc pertinent de développer des méthodes de réparation adaptées permettant de recouvrir partiellement ou totalement les performances mécaniques de la structure. Ce travail expérimental porte sur le recouvrement des propriétés mécaniques en tension grâce au soudage par induction de plaques de réparations.

Dans un premier temps, le matériau composite thermoplastique constitué de fibres unidirectionnelles de carbone/polysulfure de phénylène (CF/PPS) est moulé en plaques et testé en traction afin de définir les propriétés mécaniques dans ce chargement. Dans un deuxième temps, ces échantillons sont troués afin de créer un dommage au matériau. Dans un troisième temps ces échantillons endommagés sont réparés en soudant des plaques de réparation à la surface de l’échantillon. Le matériau de réparation est constitué du même matériau que l’échantillon à réparer. Le soudage utilisé est le soudage par induction avec la présence d’un treillis d’acier inoxydable comme élément chauffant à l’interface entre l’échantillon à réparer et la plaque de réparation. Les propriétés mécaniques en tension de ces échantillons réparés sont ensuite comparées aux propriétés mécaniques en tension des échantillons sains (non endommagés). Le recouvrement de ces propriétés est quantifié, nous permettant de définir l’utilité des réparations pour ce chargement.

Le nombre de couches composant les plaques de réparation et l’empilement de ces plaques est investigué, ainsi que l’effet de la longueur de la réparation sur les propriétés mécaniques en tension des échantillons. Des réparations avec soudage de plaque sur un seul côté de l’échantillon ou sur les deux côtés sont effectuées. Une observation de l’effet de l’ajout d’un insert à la place de la matière enlevée par le dommage est aussi faite. Cela permet principalement d’établir que l’augmentation du nombre de couches dans la plaque de réparation améliore le recouvrement de la résistance en traction de l’échantillon jusqu’à un plateau propre à chaque réparation. On observe avec les réparations quasi-isotropes que l’augmentation de la longueur des plaques de réparation améliore le recouvrement de la résistance en traction de l’échantillon jusqu’à une longueur limite pour laquelle le recouvrement ne s’améliore plus avec la longueur. Le fait d’augmenter l’épaisseur des plaques de réparation permet d’augmenter cette longueur limite de réparation et ainsi espérer améliorer la résistance à la rupture de l’échantillon.

De manière générale, ce mémoire s’inscrit comme travail préliminaire de futurs projets portant sur la réparation des matériaux composites à haute performance.

Titre traduit

Development of repair methods for thermoplactic composites using the induction welding process

Résumé anglais

The use of high performance thermoplastic composite materials is ever more present in today’s industry. These materials are expensive and on occasion of structural damage, common practice often dictates the replacement of the whole piece. The development of an effective and appropriate repair method aiming at partially or completely recovering the mechanical performance of the structure has therefore become a necessity. This experimental work focuses on the recovery of tensile properties of samples repaired by patches. Patches are welded to samples using the induction welding process.

Firstly, plates of polyphenylene sulfide reinforced with unidirectional carbon fibres (CF/PPS) are moulded and tested in tension in order to define the tensile mechanical properties. The samples are then drilled in their center, damaging them. Finally, damaged samples are repaired using welded patches on the sample surface. The repair and sample materials are identical. An induction weld using a heating element - stainless steel mesh with PPS matrix - is performed at the interface between the sample and patch. A comparison between the tensile mechanical properties of undamaged and repaired samples is proposed. The recovery of these properties is quantified, allowing a characterization of the repairs usefulness in tension load.

Various patch thicknesses and ply stacking sequences are used and the effects of the patches overlap length on the tensile mechanical properties of samples are investigated. One and twosided repairs are made. Observations on the effects of adding a plug to replace the missing material in damaged samples are made. This mainly proves that an increasing number of plies in a patch boosts tensile strength recovery. A threshold was found. Observations on quasi-isotropic repairs show that tensile strength also improves as the length of the patch increases up to a certain size. This is enhanced with the patch's thickness.

This research is a preliminary work in the development of high performance thermoplastic composite repairs.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Rapport de mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 99-103.
Mots-clés libres: Composites thermoplastiques Entretien et réparations. Composites thermoplastiques Soudage. Composites thermoplastiques Propriétés mécaniques. Résistance à la traction. Essais dynamiques. réparation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dubé, Martine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 05 nov. 2015 16:00
Dernière modification: 05 nov. 2015 16:00
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1538

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