Soudage et réparation de composites thermoplastiques par chauffe par induction

Dickson, Julien (2021). Soudage et réparation de composites thermoplastiques par chauffe par induction. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette étude vise à prouver l’applicabilité et même l’avantage des procédés de réparation et de soudure de composites thermoplastiques par induction au niveau industriel afin d’encourager un fonctionnement plus vert et durable. La chauffe est fournie par un procédé d’induction où une pièce conductrice, nommée suscepteur, est chauffée par des courants de Foucault. Par la suite, le suscepteur transmet sa chaleur au composite thermoplastique par conduction et une pression est appliquée pour consolider le joint ou la réparation. La position, le type et le nombre du ou des suscepteurs ainsi que le mode d’application de la pression sont adaptés s’il s’agit d’un procédé de réparation ou de soudure. La résine utilisée est une résine acrylique Elium 188. Elle a l’avantage de pouvoir être infusée à température ambiante, tout comme l’époxy, et présente des propriétés mécaniques similaires aux résines époxy concurrentes retrouvées dans l’industrie.

Pour la première partie du projet, soit la réparation, des échantillons d’essai de compression après impact sont produits, puis impactés avec une tour à impact à 80 J. Par la suite, une méthode de réparation par induction est développée avec pour objectif de récupérer le plus possible les propriétés mécaniques détériorées. Les échantillons réparés sont compressés jusqu’à leur rupture, puis comparés aux échantillons vierges de référence et aux échantillons impactés et non réparés pour évaluer le pourcentage de recouvrement des propriétés mécaniques en compression. Les échantillons impactés présentent une performance mécanique dégradée de 21,5 % par rapport aux propriétés de référence puis, une fois réparés, parviennent à récupérer 13,8 % des propriétés perdues. Ces valeurs sont comparables à celles obtenues par les partenaires du CDCQ avec une méthode de réparation par lumière infrarouge. En revanche, le temps de cycle de la réparation par induction est plus court de 4 minutes 30 secondes pour un cycle total de 10 minutes.

La deuxième partie du projet, la soudure en continu, développe une méthode pour obtenir un joint fort en un court temps de cycle. Le temps de cycle visé est évalué par rapport au temps de cycle d’une colle et estimé à une vitesse équivalente de soudure de 8,33 mm/sec. Cet objectif est atteint avec une vitesse de soudure en continu de 9 mm/sec. Pour les performances mécaniques en cisaillement à recouvrement simple, les joints soudés atteignent 9,21 MPa, une performance supérieure à celle des colles (7,82 MPa). Les valeurs se rapprochent même des performances d’un joint moulé (10,09 MPa). Un enduit gélifié est appliqué sur la surface du dessus et permet de confirmer que le procédé n’influence pas l’esthétisme de la pièce. Ces résultats sont encourageants pour la réparation et la soudure par induction des composites thermoplastiques au niveau industriel ainsi que pour leur utilisation.

Résumé traduit

This study tries to prove the applicability and advantages of thermoplastic composite induction repair and welding processes in the industrial world in an effort to promote a greener and more durable approach. The heating is provided by the induction process, where a conductive part, named susceptor, generates heat via Eddy currents. Afterwards, the susceptor transmits its heat by conductivity to the workpiece and a pressure is applied to consolidate the sample. The position, the type, and the number of susceptors combined with the type of pressure medium are adapted with the respective process whether reparation or welding is the objective. The resin used is an acrylic resin named Elium 188. This resin has the advantage of having the possibility to be infused at ambient temperature, as epoxies, and presents similar mechanical properties as their competing industrial epoxy counterparts.

For the first component of the project, which is repair, compression after impact samples were produced and then impacted by an impact tower at 80 J. Afterwards, an induction repair method was developed with the objective of regaining the most out of the previously lost mechanical properties. The samples were then compressed until failure, then compared with reference and only impacted samples to evaluate the percentage of compressive mechanical properties recovered. The samples were initially degraded of 21,5 % of their base reference value following the impact, then, once repaired, 13,8 % of the lost properties were restored. These values are comparable to the values obtained from the project partner at CDCQ with their infrared heating repair method. But the cycle time of the induction repair proved faster by 4 minutes and 30 seconds for a total cycle time of 10 minutes.

The second section of the second component of the project, continuous welding, creates a method to obtain a strong welded joint with a low cycle time. The ideal cycle time is evaluated at 8,33 mm/sec welding speed that represents the equivalent gluing time of a work piece. This objective is fulfilled by continuous welding at a speed of 9 mm/sec. This time, mechanical performance of the lap shear test for a continuously welded joint reaches 9,21 MPa which surpasses the performances of the glue at 7,82 MPa. The values are closer to the moulded joint (10,09 MPa) that represent the apparent maximum performance that can be obtained. A gel coat, which was applied to the upper surface of the lap shear samples to evaluate the effect of the process on the aestheticism, was unaffected. These results are encouraging for induction repair and welding of thermoplastic composites in the industrial world and for thermoplastic usage in general.

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 99-106).
Mots-clés libres:	composite thermoplastique, réparation, soudure en continu, induction
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Mathieu, Yves
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	25 nov. 2021 19:25
Dernière modification:	25 nov. 2021 19:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2800

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