CFM 2019

Caractérisation de l'incidence des défauts de manufacturing robot sur la résistance des composites Carbone-Epoxy haute performance dans l'aéronautique
Pierre-Yves Méchin  1, *@  , Michael Clarke  2@  
1 : Dassault-Systèmes  (3DS)
Dassault Systèmes
2 : Dassault-Systèmes  (3DS)
* : Auteur correspondant

Les matériaux composites Carbone-Epoxy à fibres longues constituent des matériaux de premier choix pour les structures utilisées dans des conditions où l'enjeu de masse est essentiel. Toutefois, leur dépendance au procédé de fabrication est forte et la réalisation de composites sans aucun défaut est extrêmement délicat et couteux. Il convient donc que leur présence est inhérente à ce type de matériau. 

Dans le cas d'une fabrication au robot (AFP, ADMP, ...), le drapage par placement des fibres ou de plis peut entrainer un certain nombre de défauts à l'échelle du pli comme les gap, overlap, splice, ... De plus, le procédé de cuisson (température, pression, vide) induit des défauts à l'échelle microscopique comme par exemple de la porosité. Les défauts microscopiques peuvent être contrôlés par une maitrise du procédé de fabrication qui une fois identifiés peuvent être conservés et reproduits. L'influence de ces défauts peut être négligée sous réserve d'une forte reproductibilité du procédé de fabrication. 

Dans le cas de l'échelle du pli, de par leur taille, il convient de prédire l'incidence des défauts sur les performances mécaniques des structures. Ces défauts peuvent être mesurés pendant les étapes de drapage. Les mesures réalisées permettent de reconstituer la structurelle réelle du composite tenant compte de la présence du défaut. Un certain nombre de modèles analytiques permettent une première approximation de l'incidence de chaque défaut tenant compte des dimensions du défaut, des propriétés matériaux et du chargement local. Cette influence est traduite sous forme d'un facteur de sécurité. La plupart des défauts peuvent être évalués selon ces méthodes. Pour quelques défauts présentant un facteur de sécurité faible, des modèles numériques représentant la structurelle réelle du composite à partir des mesures in-situ permettent de mieux apprécier la perte de rigidité et/ou de résistance de ces structures.

La présence de défauts à l'échelle mésoscopique entraine usuellement la présence d'un désalignement des fibres hors-plan ou des zones très riches en résine. Le désalignement constitue un défaut significatif sur la perte de raideur et de résistance en compression. Pour des pièces aéronautiques dont la grande majorité est soumise à des efforts de flexion, les performances en compression constituent un verrou majeur. Également, la présence de zone riches en résine contribue à modifier les performances dans l'épaisseur du composite, particulièrement préjudiciables dans le cas d'aubes de moteur dont certains cas de chargement accidentels sollicitent fortement les composites dans leur épaisseur. 

Ces méthodologies de caractérisation de l'incidence du défaut mésoscopique (mesure, simulation, analyse) sont réalisées dans le cadre du projet ZAero (projet financé par le programme Horizon 2020 de l'Union Européenne – No. 721362). 

Le développement collaboratif est accompli entre différents acteurs pour réaliser un drapage robot (ADMP ou AFP), mesurer la présence des défauts lors de la fabrication, quantifier leur influence sur la performance mécanique. Afin de proposer une validation de la méthodologie développée, des expérimentations sur des éprouvettes standardisées avec et sans défauts sont réalisées. La comparaison avec les prédictions est réalisée.

Ainsi, dans le cadre de production en de masse, la quantification de l'incidence réelle de ces défauts sur les propriétés mécaniques constitue une progression majeure permettant de réduire les pièces rebutées. Un travail ultérieur devra prendre en compte l'incidence de la durabilité afin d'autoriser à l'utilisation de pièces avec défauts sur des durées de vie plus courtes.


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