Conception et fabrication d’une composante d’intérieur d’avion à base de composites thermoplastiques à fibres discontinues

Léveillé, Francis (2021). Conception et fabrication d’une composante d’intérieur d’avion à base de composites thermoplastiques à fibres discontinues. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les composantes d’intérieur des avions sont souvent faites à partir d’aluminium, car c’est un matériau connu qui est léger. Afin de réduire la consommation de carburant, les avionneurs cherchent à réduire le poids de ces pièces. Puisque ces éléments ne sont généralement pas structuraux, un matériau permettant de réduire le poids à prix raisonnable est le composite thermoplastique à longues fibres discontinues disposées de façon aléatoire (Randomly Oriented Strands (ROS) ou Long Discontinuous Fibres (LDF)). Ce matériau étant relativement nouveau, les connaissances techniques relatives à son utilisation sont encore limitées.

L’objectif de ce travail est de déterminer les paramètres de moulage permettant d’obtenir des pièces de bonne qualité avec un composite thermoplastique à fibres discontinues et de fabriquer un démonstrateur de pièce d’intérieur d’avion. Une revue de littérature démontrant les lacunes actuelles dans la littérature concernant les différents objectifs est présentée. Le matériau choisi consiste en des flocons de diverses longueurs de fibres de carbone unidirectionnelles pré-imprégnées d’une matrice de poly-éther-imide. Les paramètres de moulage adéquats sont d’abord déterminés suite à l’inspection macroscopique et microscopique, l’évaluation de la densité et du taux de porosité de pièces simplifiées moulées. Il a été déterminé que le moulage avec des cycles de relâchement de pression allant jusqu’à 10,5 MPa à 350°C pendant 15 minutes avec des flocons est le plus prometteur. Ensuite, les propriétés du matériau sont estimées, puis validées par des tests de traction sur des éprouvettes standardisées composéees de différentes formes, longueurs et alignements de flocons, permettant d’affirmer que des flocons de 12 mm de longueur sont adéquats pour les régions complexes à petits rayons de courbure alors que des flocons de 25 mm sont appropriés dans les régions moins complexes. L’importance de sécher le matériau puis de l’utiliser dans les 12 heures est notée. Une pièce en L, formant un support de barre de bagage située sous les sièges des passagers, est choisie comme démonstrateur. Elle est conçue selon les cas de chargement spécifiques et fabriquée sous les conditions et avec le matériau élaboré précédemment, en utilisant un moule spécifiquement développé pour ce démonstrateur. Un test mécanique sur mesure permet finalement de comparer l’analyse numérique utilisée au démonstrateur fabriqué. Il est démontré que l’analyse numérique utilisée pour la conception du démonstrateur sous-estime les propriétés mécaniques de la pièce finale qui peut donc être optimisée davantage. L’utilisation de composites ROS dans les applications d’intérieur d’avions est finalement débattue. Les résultats démontrent le potentiel de ce matériau et du moulage par compression pour fabriquer de telles pièces.

Titre traduit

Design and manufacture of an aircraft interior component based on discontinuous fiber thermoplastic composites

Résumé traduit

Interior components of airplanes are often made from aluminum, as it is a known material that is lightweight. In order to reduce fuel consumption, aircraft manufacturers seek to reduce the weight of these parts. Since these components are generally not structural, a material that can reduce weight at a reasonable price is thermoplastic composite with long discontinuous fibres (LDF) arranged in a random fashion (Randomly Oriented Strands (ROS)). As this material is relatively new, technical knowledge relating to its use is still limited.

The objective of this work is to determine the moulding parameters to obtain good quality parts with a discontinuous fibre thermoplastic composite and to manufacture an aircraft interior part demonstrator. A literature review demonstrating the current gaps in the literature concerning the various objectives is presented. The material chosen consists of strands of various lengths of unidirectional carbon fibre prepreg with a poly-ether-imide matrix. The adequate moulding parameters are first determined following macroscopic and microscopic inspection, evaluation of the density and the porosity rate of simplified moulded parts. Moulding with pressure release (debulk) cycles of up to 10.5 MPa at 350 ° C for 15 minutes with strands have been determined to be the most promising. Then, the material properties are estimated, then validated by tensile tests on standardized coupons composed of different shapes, lengths and alignments of strands, making it possible to affirm that strands of 12 mm in length are adequate for complex regions of small radii of curvature while 25 mm strands are appropriate in less complex regions. The importance of drying the material and then using it within 12 hours is noted. An L-shaped part, forming a luggage bar support located under the passenger seats, is chosen as the demonstrator. It is designed according to specific loading cases and manufactured under the conditions and with the material developed previously, using a mould specifically developed for this demonstrator. A tailor-made mechanical test finally makes it possible to compare the numerical analysis used with the manufactured demonstrator. It is shown that the numerical analysis used for the design of the demonstrator underestimates the mechanical properties of the final part which can therefore be further optimized. The use of ROS composites in aircraft interior applications is ultimately debated. The results demonstrate the potential of this material and of compression moulding to fabricate such parts.

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 153-163).
Mots-clés libres:	longues fibres discontinues, fibres orientées aléatoirement, moulage par compression, pièce d’intérieur d’avion, analyse par éléments finis, tests de traction, Digital Image Correlation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Laberge Lebel, Louis
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:42
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2911

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