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Influence des additifs sur l'usinabilité des composites GFRP

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Kuate Togue, Honoré (2019). Influence des additifs sur l'usinabilité des composites GFRP. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

De nos jours, les matériaux composites sont très répandus dans différentes applications pour leurs nombreuses propriétés. Un de leurs avantages est la mise en forme du matériau près de la forme finale de la pièce requise. Par ailleurs, pour les applications demandant une précision dans les dimensions finales des composantes, il s’avère nécessaire de recourir à des opérations de parachèvement telles que le détourage, le perçage et parfois même le fraisage. Les composites étant des matériaux très abrasifs, ces opérations sont sujettes à la génération de chaleur à l’interface couteau/matière. Ceci est la source de nombreux défauts, tels l’arrachement de fibres, l’apparition de fibres non coupées, le délaminage et parfois même l’altération de la matrice polymère lorsque la température de coupe dépasse celle de la transition vitreuse de la matrice. Un tel endommagement thermique de la surface peut sévèrement dégrader les propriétés mécaniques du matériau.

Cette recherche a pour but de modifier la matrice époxy d’un composite de fibres de verre, Glass Fiber Reinforced Polymer (Polymère Renforcé de Fibre de Verre) (GFRP), durant sa mise en forme, par l’ajout d'additifs sous forme de micro particules afin d’en étudier l’effet sur la température de coupe pour l’opération de détourage. L’étude s’attarde également à analyser l’effet des différents additifs sur le fini des surfaces produites, les efforts de coupe, de même que sur certaines propriétés mécaniques du matériau. Les additifs considérés sont l’argile, la cire de même qu’un agent mouillant. Un total de sept mélanges ont fait l’objet de comparaison avec un composite de référence produit avec une résine sans additifs.

Il s’avère que les trois additifs et leur combinaison, ont un effet très bénéfique permettant de réduire la température de coupe jusqu’à une proportion de près de 25 % pour une longueur de coupe de 100 mm. L’état de surface évalué par des mesures de rugosité (Ra), s’est vu amélioré d’une proportion de 73,1 % dans le cas du mélange incluant une combinaison des trois additifs. Pour cette même combinaison, il a également été observé une diminution significative de la force d’avance de coupe d’une valeur de près de 82 %. Cependant, les performances en traction axiale pour l’ensemble des stratifiés contenant l’additif d’agent mouillant (AM) se sont vues détériorées. L’effet contraire a été observé lorsque l’agent mouillant est absent des mélanges. Dans ce cas, les propriétés en traction ont subi une augmentation de 25% pour le stratifié incluant l’argile combiné à la cire. Cependant, les essais en flexion et en cisaillement sans AM, ont plutôt conduit à une réduction de contrainte de l’ordre de 20 %. En ce qui concerne l’énergie de surface de coupe, le stratifié contenant l’agent mouillant a révélé une énergie de surface de coupe supérieure à celle sans AM. En effet, l’énergie de surface de coupe contenant l’agent mouillant atteint une valeur maximale de 45,2 mJ/m² évaluée avec la méthode de Owens/Wendt.

Titre traduit

Influence of additives on the machinability of GFRP composites

Résumé traduit

Nowadays, composite materials are widespread in different applications for their many properties. One of their advantages is the shaping of the material near the final shape of the required part. Furthermore, for applications requiring precision in the final dimensions of the components, it is necessary to resort to finishing operations such as trimming, drilling and sometimes even milling. Since composites are very abrasive materials, these operations are subject to heat generation at the knife/material interface. This is the source of many defects, such as the tearing of fibers, the appearance of uncut fibers, the delamination and sometimes even the alteration of the polymer matrix when the cutting temperature exceeds that of the glass transition of the matrix. Such thermal damage to the surface can severely degrade the mechanical properties of the material.

The goal of this research is to modify the epoxy matrix of a glass fiber composite, Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP), during its shaping, by adding additives in the form of micro particles to study the effect on the cutting temperature for the trimming operation. The study also focuses on analyzing the effect of different additives on the finish of the surfaces produced, the cutting forces, as well as on certain mechanical properties of the material. The additives considered are clay, wax and a wetting agent. A total of seven mixtures were compared with a reference composite produced with a resin without additive.

The three additives and their combination, have a very beneficial effect allowing to reduce the cutting temperature to a proportion of nearly 25% for a cutting length of 100 mm. The surface condition evaluated by roughness measurements (Ra) was improved by 73.1 % in the case of the mixture including a combination of the three additives. For this same combination, it was also observed a significant reduction in the cutting advance force of a value of nearly 82 %. However, the axial tensile performance for all the laminates containing the wetting agent (AM) additive was deteriorated. The opposite effect was observed when the wetting agent is absent from the mixtures. In this case, tensile properties were increased by 25% for the laminate including clay combined with wax. However, tests in bending and shear without AM, have instead led to a stress reduction of about 20%. With respect to the cutting surface energy, the laminate containing the wetting agent revealed a higher cutting surface energy than that without AM. In fact, the cutting surface energy containing the wetting agent reaches a maximum value of 45.2 mJ/m² evaluated with the Owens/Wendt method.

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 de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 191-200).
Mots-clés libres: additifs, argile, cire, agent mouillant, usinage, détourage, température, rugosité, forces de coupe, énergie de surface, propriétés mécaniques, traction axiale, flexion, cisaillement, composites, GFRP
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chatelain, Jean-François
Codirecteur:
Codirecteur
Ouellet Plamondon, Claudiane
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt: 10 juill. 2019 14:55
Dernière modification: 10 juill. 2019 14:55
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2340

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