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Estampage de composites thermoplastiques hautes performances à base de carbone/PPS pour des applications aéronautiques

Jamin, Thibault (2016). Estampage de composites thermoplastiques hautes performances à base de carbone/PPS pour des applications aéronautiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude expérimentale fait partie du projet CRIAQ COMP-512 / GARDN BA5 dont le but est de fabriquer un coin de porte d’avion en composites thermoplastiques de hautes performances. L’estampage est le procédé utilisé pour mouler les stratifiés de fibres de carbone et PolySulfure de Phénylène (Carbone/PPS). Le procédé consiste à chauffer une plaque pré-consolidée, faite de tissus pré-imprégnés (5HS), au-dessus de sa température de fusion. La plaque est ensuite rapidement transférée dans une presse dans laquelle est disposée un moule préchauffé de la géométrie désirée. Le stratifié se refroidit finalement à la température du moule sous l'application de la pression d’estampage. Il en résulte alors une pièce formée. La géométrie utilisée dans cette étude est la forme en S des sections droites du coin qui sera ensuite moulé.

Les effets de différentes configurations de plaques et d’outils sur la qualité de la pièce, comme par exemple, la séquence d'empilement de la plaque, l’épaisseur de la plaque et le rayon de l’outil, sont étudiés. De plus, les effets des paramètres de fabrication sur la qualité de la pièce tels que la pression d’estampage, le temps de maintien et la température de maintien sont également étudiés. La qualité des pièces est évaluée par des mesures de variation d'épaisseur à travers la pièce, des mesures d'angles finaux (retour élastique), du degré de cristallinité et de taux de porosité. Les performances mécaniques des échantillons sont évaluées par des essais de flexion quatre points. Des recommandations sont faites afin d'obtenir une bonne qualité de pièce et les limites du procédé en termes de rayon de courbure minimal ou épaisseur maximale de plaque sont discutées. Les paramètres d'estampage optimum ont été utilisés pour mouler les premières pièces en coins.

On constate que le rayon minimum de trois fois l'épaisseur de la plaque doit être utilisé avec des stratifiés minces pour obtenir le moment de flexion maximal. En outre, l'augmentation du rayon de l’outil diminue la rigidité de la pièce. Néanmoins, les stratifiés minces sont plus sensibles aux variations du rayon de courbure que les stratifiés épais pour le même ratio outil, c'est-à-dire le rapport entre le rayon intérieur du moule et l'épaisseur de la plaque. En ce qui concerne les paramètres d'estampage, une pression minimale de 3,3 MPa est nécessaire pour obtenir la consolidation attendue du matériau, mais aucun effet n'a été constaté sur le taux de porosité ou les variations d'épaisseur. Toutefois, les paramètres de maintien, c'est à dire, le temps de maintien et la température de l'outil, ont très peu d'effet sur le moment de flexion de la pièce : Cela montre que l’estampage de plaques pré-consolidées est un procédé robuste. L'utilisation d'un stratifié de dix plis, qui est deux fois et demi plus épais que le stratifié de quatre plis donne des performances mécaniques six fois plus grandes que celles du stratifié de quatre plis. Pour finir, les premiers essais de moulage du coin montrent que la modification de la séquence d'empilement, la forme de la plaque et la manière de tenir la plaque sont de bonnes voies d’amélioration de la qualité de la pièce.

Titre traduit

Stamp forming of high performance thermoplastic composites made of carbon/PPS for Aerospace applications

Résumé traduit

This experimental study is part of the CRIAQ COMP-512 /GARDN BA5 project which aims at manufacturing a structural airplane passenger door corner made of high performance thermoplastic composites. The stamp forming process is used to shape laminates made of carbon fibres reinforced PolyPhenylene Sulphide (CF/PPS). The process consists in heating a pre-consolidated blank, made of pre-impregnated 5 harness satin weave fabric, above its melting temperature. The blank is then quickly transferred to a press in which a tool forms it to a desired geometry. The blank finally cools down in the press Under the application of pressure resulting in a formed part. The target geometry in this study is an S-shape corresponding to the cross section of the door corner.

The effects of various blank and tool parameters, e.g., blank stacking sequence, blank thickness and tool radius, on part quality are investigated. In addition, effects of processing parameters such as consolidating pressure, holding time and tool temperature on part quality are also investigated. Part quality is evaluated through thickness variation measurements throughout a part, final angle measurements (spring back effect), crystallinity degree and void content. The mechanical performance of the specimens is evaluated under four-point bending testing. Recommendations are made in order to achieve good part quality and limits of the process in terms of minimum radius of curvature or maximum blank thickness are discussed. Optimum stamping parameters are then used to mould the first double curvature door corners.

Four-layer (thin) and ten-layer (thick) laminates were moulded. It is found that a minimum radius of three times the laminate thickness should be used with the thin laminâtes to get the maximum bending moment. In addition, increasing the radius decreases the stiffness of the part. Nevertheless, the thin laminates are more sensitive to changes in the radius of curvature than the thick laminates for the same tool ratio, i.e. the ratio between the inner tool radius and the blank thickness. A minimum stamping pressure of 3.3 MPa was identified to get the good material consolidation and mechanical performance. However, no effect of the pressure was observed on the void content or thickness variation. However, the holding parameters, i.e., the holding time and the tool temperature, have very slightly effect on the bending moment of the part, showing that the stamp forming of consolidated plates is a robust process. Using a ten-layer laminate which is 2.5 times as thick as the four-layer laminate leads to mechanical performance six times as good as that of the four-layer laminate. Finally, the first moulding trials of the double curvature door corner shows that, changing the stacking sequence, the blank cutting pattern and the way to hold the blank can greatly improve the part quality.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 131-136.
Mots-clés libres: Composites thermoplastiques. Estampage. Composites à fibres de carbone. Polysulfures. Phénylène. Stratifiés. Matières plastiques Moulage. Rayon (Géométrie) Avions Pièces Conception et construction. haut, performance, pps, carbone/PPS, rayon intérieur, CBS
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dubé, Martine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 21 déc. 2016 16:20
Dernière modification: 21 déc. 2016 16:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1780

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