Influence de nanoparticules sur l'usinabilité et les propriétés mécaniques des matériaux composites

El Ghaoui, Khalid (2019). Influence de nanoparticules sur l'usinabilité et les propriétés mécaniques des matériaux composites. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les polymères renforcés de fibres (Fiber Reinforced Plastics (FRP)) connaissent actuellement un développement de plus en plus important auprès des industriels. La popularité de ces matériaux vient de leurs très bonnes propriétés mécaniques spécifiques qui permettent la fabrication de structures bien plus légères qu’avec des matériaux traditionnels tels que les métaux. Malgré la large gamme de procédés de fabrication existante pour ces matériaux, des étapes d’usinage sont toujours nécessaires à l’obtention des pièces finales. Cependant, des difficultés sans précèdent sont rencontrés lors de l’usinage des matériaux composites. Ce mémoire regroupe deux études dont le but est d’évaluer la possibilité d’améliorer l’usinabilité par l’ajout d’additifs dans la matrice époxy de composites.

Dans la première étude, des polymères renforcés de fibre de carbone (CFRP) ont été fabriqués en incorporant trois charges dans la matrice : de la cire, des nanoargiles et un agent mouillant. Un total de 18 plaques différentes ont été usinées en utilisant un outil en diamant polycristallin (PCD). Dans le but de caractériser l’usinabilité, les efforts de coupe ont été mesurés à l’aide d’une table dynamométrique et les températures de coupe par le biais de thermocouples collés sur l’outil. Des tests de traction, flexion et de cisaillement interlaminaire ont également été exécutés afin de mesurer l’évolution des propriétés mécaniques. Des améliorations sur l’usinabilité sans détériorer les propriétés mécaniques ont été observées, en particulier avec une concentration de 1% de cire et 2% d’argile pour lesquelles elles étaient les plus significatives.

La seconde étude porte sur l’influence de graphène sur les polymères renforcés de fibre de verre (GFRP). Des tests d’usinage équivalent à la première étude ont été accomplis avec un outil revêtu de diamant par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La rugosité a été mesurée sur les surfaces obtenues et des tests de cisaillement interlaminaire ont été réalisés. Les températures et efforts de coupe ainsi que la rugosité a été considérablement baissée par l’ajout de graphène, sans corrompre l’interaction fibre/matrice.

Cette étude à permit de démontrer que l’ajout d’additifs dans les FRP est une possibilité à considérer dans l’optique d’en améliorer l’usinabilité. Cette conclusion se montre intéressante pour les industriels, étant donné que l’ajout d’additif peut réduire les coûts de fabrication en baissant l’appariation d’endommagements et en maximisant la durée de vie des outils.

Titre traduit

Influence of nanoparticles on machinability and mechanical properties of FRP

Résumé traduit

Fiber reinforced plastics (FRP) are currently experiencing an increasingly important development in industries. The popularity of these materials come from their high specific mechanical properties, which allow the fabrication of structures much lighter than with traditional materials such as metals. Although wide range of “near net shape” manufacturing processes exist for these materials, machining operations are still needed to obtain the final parts. However, unprecedented difficulties are encountered during FRP machining. This thesis gathers two studies which aim to evaluate the possibility of improving machinability by adding fillers into the matrix.

In the first study, carbon fiber reinforced polymers (CFRP) were made by incorporating three fillers into the matrix: wax, nanoclay and a wetting agent. A total of 18 different laminates were machined using a polycrystalline diamond (PCD). In order to characterize the machinability, cutting forces were measured through a dynamometer table and cutting temperatures by thermocouple bonded on the tool. Tensile, flexural and interlaminar shear tests were also performed to inspect the evolution of mechanical properties. Improvement on machinability without deteriorating the mechanical properties were observed, especially with a concentration of 1wt% wax and 2wt% clay where they were the most significant.

The second study considers the influence of graphene on glass fiber reinforced polymers (GFRP). Machining tests similar to first study were carried out with a diamond coated tool by chemical vapor deposition (CVD). Roughness was measured on the machined surfaces and interlaminar shear tests executed. Cutting temperatures and forces as well as the roughness were greatly decreased by the addition of graphene, without corrupting the fiber/matrix interaction.

This study allowed to demonstrate that addition of additives in FRP is a possibility to be considered in order to improve its machinability. This conclusion turns out to be interesting for the manufacturers, given that addition of additives can reduces the manufacturing costs by reducing the damages occurrence and by maximizing the tool lives.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles 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 91-103).
Mots-clés libres:	CFRP, GFRP, usinabilité, propriétés mécaniques, nanoargile, graphène
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 oct. 2019 20:21
Dernière modification:	03 nov. 2021 18:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2371

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