5 Principales familles de procédés LCM - Chaire sur les Composites ...

Examen Prédoctoral
Proposition du sujet de recherche Département génie mécanique
Contrôle de la fabrication des composites
par injection sur renfort Présenté à : Dr. Aouni Lakis, Président du Jury
Dr. François Trochu, Directeur de recherche
Dr. Édu Ruiz, Membre du Jury
Dr. Michel Delfour, Membre externe du Jury Présenté par : François LeBel
Matricule : 1121602
École Polytechnique de Montréal
15 octobre 2006
Table des matières
1 Liste des tableaux 3
2 Liste des figures 3
3 Introduction 4
4 Les matériaux composites 5
5 Principales familles de procédés LCM 5
6 Phénomènes physiques actifs durant les procédés LCM 6
7 Hypothèse et démarche 10
8 Objectifs 10
9 État de l'art sur le contrôle des procédés LCM 11
9.1 Variables d'état « contrôlables » 13
9.2 Variables d'état « observables » 14
9.3 Familles de capteurs 15
9.4 Stratégies de contrôle 16
Contrôle PID 17
Contrôle optimal 18
Contrôle intelligent 19
Contrôle robuste 22
10 Méthodologie 23
10.1 Position du problème 23
10.2 Méthode 24
Phase I : Sélection des variables du procédé RTM 24
Phase II : Définition des critères de performance pour les contrôleurs
conçus 25
Phase III : Développement de contrôleurs appropriés 25
Phase IV : Vérification numérique de la robustesse du système de
contrôle 25
Phase V : Implantation du système de contrôle dans un code informatique
26
Phase VI : Évaluation expérimentale du rendement du système de contrôle
26
11 Échéancier 26
12 Budget 27
13 Contraintes du projet 28
14 Contributions attendues 29
14.1 Biens livrables 29
14.2 Propriété intellectuelle 29
14.3 Impacts de la recherche 29
15 Références 31
16 Annexe I 35
16.1 Conduction 35
16.2 Convection 36
17 Annexe II 38
17.1 Exemple de modélisation d'état 38
Liste des tableaux Tableau 1 - Modèles de cinétique de cuisson des thermodurcissables 8
Tableau 2 - Budget du programme de doctorat 28
Tableau 3 - Modèles pour la conductivité thermique homogénéisée 36 Liste des figures Figure 1 - Les différentes étapes des procédés LCM. 6
Figure 2 - Double échelle de porosité du milieu poreux constitué par un
renfort. 7
Figure 3 - Nombre capillaire optimal Ca*. 7
Figure 4 - Schéma des interactions dans les procédés d'injection sur
renfort. 9
Figure 5 - Représentation d'espace d'état et rétroaction sur les états. 12
Figure 6 - Exemple de boucle de rétroaction thermique pour le procédé RTM.
16
Figure 7 - Système de contrôle flou de la température. 20
Figure 8 - Vue simplifiée de la structure d'un réseau de neurones
artificiel, 21
Figure 9 - Exemple de représentation schématique du procédé RTM. 23
Figure 10 - Principaux outils de travail utilisés lors d'une fabrication.
24
Figure 11 - Échéancier du projet doctoral de recherche. 27
Figure 12 - Volume représentatif dans un milieu poreux. 35
Figure 13 - Contrôle en cascade de la température de cuisson d'un
composite. 40
Introduction À l'origine employés principalement dans le domaine militaire, les
matériaux composites à matrice thermodurcissable se retrouvent maintenant
dans un nombre grandissant d'applications industrielles. Leur popularité
connaît une croissance importante dans les domaines de l'aéronautique, du
transport, de la médecine et du loisir. Ceci s'explique par leur excellente
performance mécanique en terme de rigidité spécifique, leurs bonnes
propriétés d'isolation acoustique et électrique, ainsi qu'une résistance
remarquable à la fatigue et à la corrosion. Le principal obstacle à une
généralisation de leur emploi dans de nombreux secteurs reste les coûts de
fabrication, qui restent prohibitifs. Or les méthodes de fabrication des
composites à haute performance par les procédés d'injection sur renforts
permettent de réduire beaucoup les coûts de la mise en forme de ces
matériaux en comparaison avec les méthodes de fabrication plus classiques
en autoclave par exemple (Rudd, 1997). Afin de maîtriser la fabrication des composites par injection de résine
liquide dans des moules fermés, des connaissances accrues sur la
modélisation et le contrôle des procédés de mise en forme sont requis. En
particulier, le contrôle de la qualité des pièces en temps réel,
l'amélioration de la reproductibilité des fabrications et la minimisation
des pertes constituent autant d'enjeux industriels et de défis à relever. Ce document commence par une brève présentation sur les matériaux
composites, les divers procédés de fabrication et les phénomènes physiques
associés à leur mise en ?uvre par injection sur renfort. Le but de ce
projet est de répondre aux trois questions fondamentales suivantes :
> Pourquoi est-il nécessaire de contrôler les procédés dits d'injection
sur renforts ou LCM (« Liquid Composite Molding ») ?
> Peut-on effectivement les contrôler?
> Enfin, dans le cas d'une réponse affirmative à la question précédente,
comment pourrait-t-on arriver à les contrôler dans un contexte de
production industrielle? Les matériaux composites Un matériau composite est un arrangement de fibres liées entre elles par
une matrice dont la résistance mécanique est plus faible que celle du
renfort. La fonction principale des fibres est de supporter les
sollicitations mécaniques tandis que la matrice joue un rôle de liant et
permet d'assurer l'intégrité du matériau. Les composites se distinguent par
rapport aux matériaux conventionnels (comme les métaux, céramiques,
polymères, etc.) par l'anisotropie de leurs propriétés mécaniques et une
hétérogénéité de la micro-structure du matériau (Gay, 1991). Principales familles de procédés LCM Parmi les procédés de fabrication employés pour ces matériaux, les procédés
de moulage par transfert de résine dits « Liquid Composite Molding » (LCM)
deviennent de plus en plus populaires, car ils présentent un excellent
potentiel pour la production à grand volume. Les procédés LCM regroupent,
par ce nom générique, une famille de procédés de mise en forme des
composites, dans lesquels un renfort sec ou une préforme sont placés sur la
partie inférieure d'un moule, qui est ensuite fermé et dans lequel une
résine réactive liquide est injectée sous l'effet d'un gradient de pression
(voir Figure 1). Dans un second temps, la résine thermodurcissable réticule
dans le moule sous l'effet de l'élévation de la température pour former la
matrice. À la fin de la cuisson, la pièce peut être démoulée (Kendall and
Rudd, 1994). L'infiltration de résine par injection et celle par infusion sont les deux
grandes familles subdivisant la gamme des procédés LCM (Breard et al.,
2005) :
> Dans la première famille, on y retrouve le moulage par transfert de
résine (« Resin Transfer Molding » ou RTM), le moulage par transfert de
résine « light » (« Resin Transfer Molding Light » ou RTM-Light), le
moulage par transfert de résine sous vide (« Vacuum Assisted Resin
Transfer Molding » ou VARTM) et le moulage par compression
(« Compression Resin Transfer Molding » ou CRTM). Le RTM et ses dérivés
utilisent la gravité, le déplacement d'un piston ou le différentiel de
pression créé par une pompe pour « pousser » la résine dans la cavité
via le port d'injection.
> Dans la deuxième famille de procédés, on fait le vide dans la cavité du
moule et la résine est infusée dans la pièce sous l'effet de la pression
atmosphérique (« Vacuum Assisted Resin Infusion » ou VARI). L'infusion
peut aussi être assistée par un réseau de canaux préférentiels actionnés
à distance (« FAST Remotely Actuated Channeling » ou FASTRAC), par
l'utilisation d'un milieu drainant (« Liquid Resin Infusion » ou LRI),
souvent appelé SCRIMP (« Seemann Composites Resin Infusion Molding
Process ») dans le domaine nautique et par l'infusion de résine disposée
en films intercalés entre les couches du renfort (« Resin Film
Infusion » ou RFI).
Le VARI et les procédés dérivés emploient une pression de vide pour
« tirer » la résine dans le moule jusqu'à l'évent. Ces deux familles se
distinguent donc par la méthode employée pour appliquer le gradient de
pression forçant l'entrée du fluide réactif dans le moule (Rudd, 1997). Les
moules servant à cette fabrication peuvent être rigides (RTM, CRTM, etc.),
semi-rigides (RTM-Light) ou bien, dans la deuxième famille de procédés, la
base du moule est recouverte par une membrane souple (VARI, LRI, etc.).
Toutes ces caractéristiques constituent autant de degrés de liberté qui
seront à considérer dans le contrôle du procédé.
[pic] Figure 1 - Les différentes étapes des procédés LCM. Phénomènes physiques actifs durant les procédés LCM La phase d'injection se résume par l'écoulement d'un fluide visqueux
(résine) à travers un milieu poreux (renfort fibreux). Pour comprendre et
simuler les phénomènes reliés aux procédés d'injection sur renfort (LCM),
il est nécessaire de se référer à la dynamique des fluides