Réparation de composites à matrice thermoplastique en utilisant la soudure par induction

Côté, Nicolas (2018). Réparation de composites à matrice thermoplastique en utilisant la soudure par induction. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les composites à matrice thermoplastique (TPC) sont utilisés dans l’industrie spatiale depuis un nombre d’années. Une des applications les plus célèbres des TPC est le Canadarm2, le bras robotique de la Station spatiale internationale, qui est en service depuis 2001. La durée de vie initiale prévue était de 10 ans, cependant, puisque Canadarm2 joue encore un rôle très important dans les missions courantes, il est maintenant question d’augmenter sa durée de vie jusqu’en 2028. L’orbite terrestre basse est maintenant pollué de millions d’objets artificiels résultant de décennies d’exploration spatiale. Les probabilités d’un impact entre un debris orbital et une structure spatiale sont plus élevées que jamais.

Cette étude présente le développement d’une méthode de réparation pour des endommagements par hypervélocité sur la structure de Canadarm2. Étant donné que les composites à matrice thermoplastique peuvent être mis en forme plus d’une fois, nous utilisons le soudage par induction pour réparer les stratifiés endommagés. Un procédé de soudage par induction permettant de réparer une grande surface a été développé. Cette méthode permet de souder un patch sur une zone endommagée de manière continue en déplaçant la pièce endommagée sous une bobine d’induction.

Les stratifiés endommagés avec un impact en hypervélocité montrent une rigidité résiduelle en flexion de 75 % et 45% comparé à des stratifiés intacts pour les endommagements d’entrée et de sortie respectivement. Après réparation avec un patch quasi-isotrope huit plis [0, 90, ±45]s, l’endommagement secondaire montre une rigidité en flexion de 300% compare à un laminé intact et une force maximale en flexion de 130% comparé à un laminé intact.

Finalement, un modèle par élément finis d’un laminé intact et d’un patch a été développé. Le modèle du laminé intact converge vers une rigidité avec une erreur de 3% par rapport aux résultats expérimentaux. Le modèle d’un laminé intact et d’un patch converge vers une rigidité avec une erreur de 2% comparé aux résultats expérimentaux. Étant donné l’augmentation de rigidité des stratifiés réparés, différents empilements de patch peuvent être étudiés en utilisant le modèle. Ceci permet de déterminer un empilement de patch idéal qui donnerait aux stratifiés réparés des propriétés mécaniques similaires à celles d’un laminé intact.

Titre traduit

Repair of thermoplastic composites using induction welding

Résumé traduit

Thermoplastic composite materials (TPC) have been used for a number of years in the space industry. One of the most famous applications of TPCs is on the Canadarm2, a robotic arm used on the International Space Station, which has been in service since 2001. The initial planned lifespan for Canadarm2 was of 10 years, however, because Canadarm2 is still very useful in current missions, the plan is now to extend its service life until 2028. The low Earth orbit is now littered with millions of manmade debris resulting from decades of space exploration. Space structures are now more likely to be impacted by debris than ever before.

This thesis presents the development of a repair method for hypervelocity impact damage on the Canadarm2 structure. Since the thermoplastic composites have the advantage of being reprocessable, we use induction welding to repair the damaged laminates. An induction welding process that allows the repair of large areas was developed. This method allows the welding of patches over a damaged area in a continuous fashion by moving the part to be repaired under an induction coil.

Laminates that were damaged via a hypervelocity impact show a residual flexural rigidity of75% and 45% compared to intact laminates for the entry and secondary exit damage respectively. After repair using a quasi isotropic 8 ply patch [0, 90, ±45]s, the secondary exit damage shows a flexural rigidity of 300% compared to an intact laminate and a maximum flexural strength of 130% compared to intact laminates.

Finally, a finite element model of a laminate and patch was developed. The finite element model of an intact laminate converges to a rigidity within 3% of the experimental results. The finite element model of an intact laminate and patch shows a rigidity within 2% of the experimental results. Due to the high increase in rigidity of the repaired laminates, different patch stackups can be simulated. This allows to determine an ideal patch that would allow repaired laminates to have closer mechanical properties to that of intact laminates.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 117-121).
Mots-clés libres:	réparation, matériaux composites, soudage, induction, thermoplastique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Dano, Marie-Laure
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	09 nov. 2018 19:40
Dernière modification:	09 nov. 2018 19:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2139

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