Etat de l’art sur les défauts de composites dus à la mise en œuvre du matériau

A la différence des matériaux comme les métaux, la mise en œuvre des matériaux composites est particulière dans le sens où le matériau final et la géométrie de la pièce sont souvent obtenus simultanément et les propriétés de la structure finale dépendent à la fois des composants, que ce soit les fibres ou la matrice, et de la manière dont ils sont mis en œuvre. Cette partie n’a pas pour but de présenter les différents procédés de fabrication de pièces composites, mais comment apparaissent les défauts pendant la mise en œuvre. L’étude est centrée sur les composites à renfort continu qui sont généralement mise en forme par : Resin Transfer Moulding (RTM), Infusion, Préimprégnés ThermoDurcissables (TD), Préimprégénés ThermoPlasitques (TP), … Lors de la mise en forme des composites, plusieurs types de défauts peuvent apparaître [1] [2] comme des ruptures de fibres, des désalignements de fibres, des plissements du renfort ou des pores résiduels. L’étude portera sur ces deux derniers défauts qui ont été étudiés par E.Gazo-Hanna et al. [3] et qui sont illustrés sur la figure 1. Sur l’échantillon A3 et A12, des plissements sont observés alors que sur l’échantillon A7 présente des pores.

La figure 2 montre les 3 géométries différentes de plissement en fonction de sa position dans le stratifié, du nombre de plis qu’il déforme, du fait qu’il soit dans le plan des fibres ou hors-plan des fibres et du fait que la déformation subit par les plis soit seulement interne à l’épaisseur ou se répercute sur les plis extérieurs comme pour le défaut dit « wrinkle ». Les défauts de plissement sont définis par plusieurs paramètres. Comme le montre la figure 3, un plissement se caractérise par son amplitude δ, sa période λ et son angle maximum de désalignement θmax [7]. L’amplitude δ définit la « hauteur » du plissement, c’est- à-dire la différence de position entre le haut du premier pli et le haut de l’entre deux plis suivant. La période λ donne une indication sur la distance qui sépare deux plis et l’angle θmax désigne l’angle maximum entre la normal à la fibre et la normal au pli. Les paramètres qui vont influés sur la formation des défauts de plissement sont identiques quel que soit le procédé de mise en œuvre utilisé. La figure 4 présente le diagramme d’Ishikawa [9] des paramètres de procédés qui influent sur la formation d’un plissement [10]. Par exemple, Lightfoot et al. [11] ont montré l’influence des interactions entre les plis et l’outillage, qui provoque du cisaillement, sur la formation du plissement. Hallander et al. [8] ont étudié la formation de plissements due au formage de tissus préimprégnés sur des géométries complexes. D’autres études ont démontré l’influence des chargements en compression lors du formage [12], l’influence de l’automatisation du drapage [13], l’influence de la vitesse de refroidissement et du Coefficient Thermique d’Expansion (CTE) du matériau de l’outillage en contact avec le stratifié [14].

Les défauts de plissement vont de manière général diminuer les propriétés mécaniques du composite stratifié, comme cela est visible sur la figure 5 qui illustre la baisse de la résistance en compression, sur un stratifié polysulfone/fibre de carbone, par rapport à la fraction de plissements dans un pli à 0° [7]. Les 3 paramètres caractéristiques d’un plissement ont une certaine influence sur les propriétés mécaniques du composite. L’étude de Bloom et al. [15] a mis en évidence l’influence de l’angle de désalignement θ sur la résistance en traction d’un stratifié fibre de verre/résine époxy. Le tableau 1 illustre la diminution de la charge maximum et de la charge à la première rupture, qui sont définis sur la figure 6, avec l’augmentation de l’angle de désalignement θ (les angles α et β sont des résultantes de l’angle θ). Cette diminution varie entre 3% et 50%. L’objectif étant de reproduire des défauts de plissement afin de pouvoir le tester mécaniquement par la suite il faut pouvoir le caractériser sans détruire l’échantillon. En effet, le défaut de plissement étant un défaut géométrique, il est difficile de le caractériser précisément sans détruire la pièce. Il est donc préférable de détecter les plissements dans le composite avec des techniques de Caractérisation Non Destructive (CND). De nombreux articles et études définissent les différentes techniques de CND adaptées aux matériaux composites [16] [17] [18] [19].