Thermoformage de composites thermoplastiques pour la fabrication de composantes de vélos

Girouard-Laflamme, Émile (2025). Thermoformage de composites thermoplastiques pour la fabrication de composantes de vélos. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (18MB) | Prévisualisation

Résumé

Le projet de maîtrise présenté dans ce document concerne la conception et la fabrication d’un démonstrateur d’une fourche de vélo en matériaux composites à matrice thermoplastique à l’aide du procédé de thermoformage. Les trois sujets principaux abordés sont ceux permettant la fabrication d’une pièce creuse avec le procédé de thermoformage, soit la fabrication de flancs, le thermoformage de deux demi-coques et l’assemblage de ces coques dans un produit creux fini.

Pour ce faire, dans le premier objectif spécifique, des plaques planes sont fabriquées à l’aide du procédé de consolidation sous vide. Cette méthode de fabrication permet de produire des flancs qui intègrent des lâchers de plis pour optimiser les épaisseurs dans la demi-coque thermoformée. La qualité des flancs est évaluée par la vérification de la planéité des flancs et la variation d’épaisseur par rapport à l’épaisseur théorique du laminé. Une planéité moyenne de 2,186 mm a été mesurée, ce qui est inférieur au seuil de 3 mm établi. Du côté des épaisseurs, le laminé a été mesuré à 2,476 mm et 3,484 mm respectivement pour les régions d’épaisseur nominale 2,5 et 3,5 mm. L’écart-type de ces mesures se situe sous les 0,02 mm dans les deux cas.

Le deuxième objectif spécifique reprend les flancs fabriqués, cette fois-ci pour le thermoformage de demi-coques. Afin de mettre en place le procédé de thermoformage, deux montages expérimentaux ont été conçus afin de soutenir le flanc durant la chauffe et le formage. De plus, deux moules ont été conçus pour mouler les demi-coques avant et arrière de la fourche avec plusieurs configurations et un système de moule autochauffant. Ces moules ont été validés à l’aide d’une simulation du procédé grâce au logiciel Aniform. Puis, pour la fabrication des coques, différentes configurations de moulage ont été évaluées qualitativement par rapport à la présence de défauts sur les pièces. La configuration du poinçon métallique fixe a été retenue, démontrant une meilleure consolidation. Le contrôle de fermeture de la presse par déplacement n’a pas permis de fabriquer des pièces avec une consolidation uniforme.

Pour le troisième objectif spécifique, il s’agit d’assembler les deux demi-coques afin de former la fourche. Pour ce faire, le procédé de moulage par vessie est employé d’où la nécessité de concevoir un moule femelle pour fabriquer la vessie et ensuite un deuxième outillage qui permet la consolidation sous pression des deux demi-coques. Dans cette partie du projet, deux configurations de joint sont considérées, soit un joint bout à bout et un joint avec recouvrement interne. Somme toute, la fabrication du joint avec recouvrement ne présente pas de désavantages par rapport à l’autre type de joint et donc celui-ci est favorisé pour ses meilleures propriétés mécaniques. La fourche a été numérisée et une déviation importante de 5,592 mm au niveau des fourreaux a été relevée. Ceci pourrait causer des problèmes dans les essais mécaniques, mais la fourche a pu être installée dans un cadre Argon 18 Krypton lors de l’analyse fonctionnelle.

Finalement, les deux demi-coques étant assemblées, des pattes métalliques collées sont conçues afin de pouvoir installer la fourche dans un banc d’essai du partenaire industriel. La fourche sera testée selon la norme ISO 4210 : 2023 chez le partenaire industriel à la suite de ce projet. La masse de la fourche de production du Argon 18 Krypton (294g) a été comparée avec la masse de la fourche fabriquée avec deux configurations de joint et celle-ci s’est avérée plus légère dans les deux cas (234g et 256g). Le coût des consommables est calculé et le temps de main-d’oeuvre est estimé pour la fourche fabriquée dans ce projet.

Titre traduit

Thermoforming of composites for manufacturing of bicycle components

Résumé traduit

The master’s project presented in this document concerns the design and manufacturing of a bicycle fork made of thermoplastic matrix composite materials using the thermoforming process. The three main topics addressed are those enabling the fabrication of a hollow part through thermoforming : the manufacture of blanks, the thermoforming of two half-shells, and the assembly of these shells into a finished hollow product.

To achieve this, in the first specific objective, flat plates are manufactured using the vacuum consolidation process. This manufacturing method allows the production of blanks that incorporate ply drops to optimize thicknesses in the thermoformed half-shell. The quality of the blanks is assessed by checking their flatness and the thickness variation compared to the theoretical laminate thickness. An average flatness of 2.186 mm was measured, which is below the established 3 mm threshold. Regarding thicknesses, the laminate was measured at 2.476 mm and 3.484 mm for the nominal 2.5 mm and 3.5 mm regions, respectively. The standard deviation of these measurements is under 0.02 mm in both cases.

The second specific objective uses the fabricated blanks, this time for thermoforming half-shells. To implement the thermoforming process, two experimental setups were designed to support the blank during heating and forming. Additionally, two molds were designed to mold the front and rear half-shells of the fork, with several configurations and a self-heating mold system. These molds were validated using process simulation with Aniform software. Then, for shell manufacturing, different molding configurations were qualitatively evaluated based on the presence of defects on the parts. The fixed metal punch configuration was chosen, as it showed better consolidation quality. The press closure control by displacement did not allow for uniform consolidation of the parts.

For the third specific objective, the two half-shells are assembled to form the fork. To do this, a bladder molding process is used, requiring the design of a female mold to manufacture the bladder, and then a second tool enabling pressure consolidation of the two half-shells. In this part of the project, two joint configurations are considered : a butt joint and an internal overlap joint. Overall, the overlap joint shows no disadvantages compared to the other type and is therefore preferred for its better mechanical properties. The fork was scanned, and a significant deviation of 5.592 mm was observed at the fork legs. This could pose problems during mechanical testing, but the fork was successfully installed on an Argon 18 Krypton frame during functional analysis.

Finally, with the two half-shells assembled, bonded metallic dropouts were designed to enable the fork’s installation in the industrial partner’s test rig. The fork will be tested according to ISO 4210 :2023 standards at the industrial partner’s facilities following this project. The mass of the production fork from the Argon 18 Krypton (294 g) was compared with the mass of the fork manufactured with two joint configurations, and it was found to be lighter in both cases (234 g and 256 g). The cost of consumables was calculated, and the labor time was estimated for the fork manufactured in this project.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 171-178).
Mots-clés libres:	cyclisme, thermoformage, flanc, vessie, consolidation sous vide
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Laberge-Lebel, Louis
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	23 sept. 2025 19:47
Dernière modification:	23 sept. 2025 19:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3718

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt