Porosité - A335
| Porosité | |
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| Type de document | Article |
| Identificateur de document | 335 |
| Thèmes | |
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Introduction[éditer | modifier la source]
Porosité dans pierre composite le matériau est un résultat de fabrication défini comme l’absence de résine dans des endroits qui devraient être occupés par de la résine. La porosité est synonyme de vides, de bulles ou de trous d'épingle. Il s’agit d’un défaut très courant qui peut survenir sur une large gamme de pièces fabriquées selon diverses méthodes de fabrication. La majorité de la porosité des pièces composites est induite lors du processus de fabrication. L'air emprisonné dans les stratifiés pendant la superposition, le dégazage de résine dû aux substances volatiles et une mauvaise infiltration de résine sont parmi les causes connues de porosité. [1].
Le processus de fabrication lui-même, qu'il s'agisse d'infusion sous vide, de moulage par transfert de résine, de stratification humide, préimprégné Le traitement, ou moulage par compression, joue un rôle important dans le développement de la porosité. Chaque étape précédant la transformation thermique peut potentiellement contribuer à la porosité, y compris les conditions de stockage et les méthodes de formulation. Cependant, après transformation thermique, le matériau est vitrifié et une nouvelle induction de porosité est très peu probable. La gestion de la porosité est très spécifique au processus de fabrication, à l’étape de fabrication ainsi qu’aux sources et puits de porosité.
Importance[éditer | modifier la source]
La porosité peut réduire considérablement les performances de la structure composite, en particulier aux endroits où la résine transfère la charge. Il est démontré qu'une teneur en volume de porosité de 2 % peut entraîner une réduction de 10 à 20 % de la résistance interlaminaire, selon la fibre. fraction volumique et répartition/localisation de la porosité[2]. La porosité peut également agir comme un concentrateur de contraintes, ce qui facilite matrice fissuration. Par conséquent, des règles strictes sont imposées quant au niveau de porosité admissible dans les pièces utilisées dans les structures primaires aérospatiales, qui est généralement de 2 %.
Domaine[éditer | modifier la source]
Les sources et les mécanismes à l’origine de la porosité sont complexes et dépendent du processus. Cette page a pour objectif d'expliquer les différents types de porosités, comment elles se forment (sources) et comment les atténuer (puits). La liste des sources et puits de porosité mentionnés sur cette page se veut générique et ne se limite pas à un processus de fabrication spécifique.
Porosité de surface vs porosité globale[éditer | modifier la source]
La porosité des matériaux composites peut être classée en porosité de surface ou porosité globale. La porosité de la surface est constituée de trous d'épingle ou de fossettes visibles sur la surface de la pièce. Bien qu'elle puisse dégrader l'esthétique du matériau et potentiellement avoir un impact sur ses performances aérodynamiques, la porosité de la surface n'affecte généralement pas de manière substantielle l'intégrité structurelle du matériau. Cela peut toutefois poser des difficultés lors de l’application de finitions, telles que la peinture, en raison des irrégularités de la surface.
La porosité globale fait référence à la porosité interne qui ne se trouve pas à la surface de la pièce. La porosité globale peut être classée en différents types en fonction de son emplacement dans le matériau. La porosité intra-réseau, par exemple, se produit au sein des fibres individuelles d'un matériau, résultant peut-être d'une saturation incomplète ou de la formation de bulles internes. À l’inverse, la porosité entre les câbles se retrouve entre les câbles. Un autre type, la porosité interlaminaire, apparaît entre les couches ou plis de matériau empilés les uns sur les autres. Enfin, la porosité de la résine est observée au sein de la résine utilisée dans les matériaux composites.
Sources et puits de porosité[éditer | modifier la source]
La porosité dans les composites est généralement conceptualisée comme une interaction dynamique entre les sources et les puits. Les sources sont les mécanismes qui introduisent la porosité, tels que l'air emprisonné lors du laminage ou les dégagements gazeux de la résine sous vide. À l’inverse, les puits font référence à des mécanismes qui atténuent ou éliminent la porosité, notamment le transport de gaz, qui expulse l’air emprisonné ou les substances volatiles, et éliminent le retrait ou l’effondrement, comprimant ainsi le volume de porosité. Idéalement, ces sources et puits devraient être équilibrés, ce qui entraînerait une porosité acceptable. Le texte suivant fournit une liste exhaustive des sources et des puits de porosité. Des explications détaillées et des exemples pour chaque source seront fournis pour une meilleure compréhension. L'objectif est de permettre aux lecteurs d'identifier les sources potentielles pertinentes pour leurs applications spécifiques et de gérer ensuite la porosité à l'aide de puits de porosité appropriés. Les lecteurs sont encouragés à contribuer à ces connaissances collectives en suggérant toute source ou puits négligé via la fonction « Feedback » disponible sur cette page.
Sources de porosité[éditer | modifier la source]
- Incompatibilité fibre/résine
- Gaz piégé dans l'installation et les consommables
- Saignement excessif de la résine/manque de résine
- Volume vide de la géométrie (pontage, dépôt de plis)
- Erreur dimensionnelle de l'outil
- Résine absorbant le noyau provoquant la famine de la feuille de visage
- Impression de la feuille frontale et retrait de l'outil
- Humidité absorbée dans le noyau
- Gaz non dissous et volatils dans la résine (bulles visibles)
- Retrait de la résine
- Manque de consolidation
- Fuite de vide pour outils/sacs
- Dégazage des substances volatiles absorbées dans la fibre
- Dégazage des gaz dissous et volatils dans la résine
- Humidité dans la fibre
- Humidité dans la résine
- Formation de sous-produits de réaction de durcissement
- Problèmes avec la résine circulant à travers le lit de fibres
- Transport de gaz insuffisant dans le stratifié
La porosité coule[éditer | modifier la source]
- Formulation de résine
- Conception du préimprégné (architecture, degré d'imprégnation)
- Conditions de stockage et de manipulation des résines/préimprégnés
- Dégazage, élimination sous vide de l'air, de l'humidité et des substances volatiles de la résine
- Techniques de dépôt de matériaux
- Conception géométrique (évitant les angles vifs et les chutes de plis agressives)
- Quantité appropriée de saignement et de respiration à l'aide de consommables
- Réduction de volume, élimination sous vide de l'air, de l'humidité et des substances volatiles dans le stratifié préimprégné et la résine
- Élimination des fuites de vide dans la configuration des outils et des sacs sous vide, y compris les consommables
- Élimination des espaces entre l'outil et la pièce (pont de fibres, sous-remplissage dans la matrice)
- Pression (du rouleau/autoclave/presse) pour assurer la consolidation
- Contrôler la vitesse d'écoulement de la résine (pression différentielle)
- Contrôler les directions d'écoulement de la résine (stratégies d'injection)
- Contrôler l'historique thermique (temps d'arrêt, cycle de durcissement) pour réduire la croissance des bulles due à l'humidité
Plongée en profondeur dans les sources de porosité[éditer | modifier la source]
Incompatibilité fibre/résine[éditer | modifier la source]
Le problème de l’incompatibilité résine-fibre peut contribuer de manière significative à la porosité des matériaux composites. Un exemple courant est observé dans l'utilisation de mats à fils coupés, où un matériau liant est utilisé pour maintenir les fibres ensemble. Généralement, ce liant est conçu pour se dissoudre en présence de styrène présent dans les résines polyester ou vinylester. Lorsqu'une telle résine est appliquée, elle décompose le liant, permettant aux fibres de se déplacer les unes par rapport aux autres et au lit de fibres d'être compacté. Cependant, l’époxy, qui ne contient pas de styrène, ne décompose pas le liant, provoquant ainsi potentiellement une porosité.
Dans un sens plus générique, les fibres et les résines peuvent également être incompatibles pour un procédé donné si elles ne répondent pas aux exigences du procédé. Par exemple, pour un procédé d'infusion, si la résine à infuser est très visqueuse et que le lit de fibres sèches est bien tassé, la résine s'écoulera très lentement et pourrait gélifier avant d'infiltrer toute la pièce. La résine et la fibre sont considérées comme incompatibles pour le procédé.
Cette incompatibilité entre la fibre et la résine influence principalement la porosité lors de l'étape de dépôt du matériau, où la résine et la fibre sont combinées. Elle est pertinente dans tous les procédés employant des combinaisons de résine et de fibres incompatibles. Bien que l'exemple de tapis à fils coupés avec de l'époxy soit utilisé ici, d'autres scénarios pourraient inclure des dimensionnement sur la fibre ou une chimie particulière de la résine.
L’atténuation de cette porosité, ou de cette porosité, passe par une formulation soignée de la résine. Les techniques de dépôt de matériaux et la pression de consolidation jouent également un rôle dans la réduction de cette forme de porosité, car elles peuvent influencer la répartition et le volume de la porosité créée.
Gaz piégé dans l'installation et les consommables[éditer | modifier la source]
Dans la fabrication de composites, la porosité peut provenir d’un moule mal conçu qui entraîne le piégeage de l’air ou des gaz. Ce phénomène peut se produire dans le moulage par compression, le moulage par injection et le moulage par transfert de résine. Au fur et à mesure de l'injection de la résine, l'air présent dans le moule doit s'échapper. L’absence ou l’obstruction des évents et des sorties peut entraîner la présence d’air emprisonné, se manifestant par une porosité dans le produit final. Un emprisonnement d'air similaire peut se produire dans les consommables lors d'un processus de perfusion. Par exemple, de l'air emprisonné pourrait être introduit par un tube d'entrée d'air pendant la perfusion si le tube est temporairement retiré puis réinséré.
Cet air emprisonné devient généralement problématique lors de l’étape de dépôt du matériau. L'atténuation des gaz piégés (et par conséquent de la porosité) peut être obtenue grâce à des techniques minutieuses de dépôt de matériaux et à une conception de la forme des pièces. Par exemple, une étude de cas d'une plaque carrée de 15 x 15 pouces créée par stratification humide et moulage par compression à chaud a abouti à une porosité piégée en son centre. Cela est probablement dû à l’action de pression qui scelle le périmètre, empêchant ainsi l’air de s’échapper du stratifié. Lorsque la résine sature la fibre, elle obstrue le passage de l'air conduisant à son piégeage et à la porosité qui en résulte, comme le montre la figure.
Saignement excessif de la résine[éditer | modifier la source]
Le saignement de résine ou le saignement excessif dans la fabrication de composites fait référence à une situation dans laquelle l'excès de résine est éliminé après la préparation du mélange de fibres et de résine. Cela peut être dû, par exemple, à un tissu de purge ou à un tissu respirant qui absorbe trop de résine. Certains préimprégnés sont spécifiquement conçus pour faire couler une quantité prédéterminée de résine, tandis que d'autres sont fabriqués pour éviter complètement le saignement de la résine.
Un saignement excessif de la résine peut générer de la porosité via deux mécanismes principaux. Le premier mécanisme implique une élimination excessive de la résine, conduisant à un stratifié pauvre en résine et incapable de remplir tout le volume situé entre les fibres. Le deuxième mécanisme est répandu dans les préimprégnés durcis en autoclave où un saignement excessif entraîne une réduction de la pression de la résine. À mesure que la résine est retirée, la fibre supporte une charge plus importante et la résine restante est soumise à une pression plus faible, voire même à une pression sous vide. Cet environnement à basse pression peut provoquer des dégagements gazeux à partir des matériaux contenus dans la résine, conduisant à la formation de bulles, qui se manifestent finalement par une porosité.
Ce phénomène inducteur de porosité s'observe principalement lors de l'étape de dépôt de matériau, et de transformation thermique. Pendant le processus de durcissement, le viscosité de la résine diminue avec l'augmentation de la température, permettant à la résine de s'écouler plus facilement. Les processus affectés par ce phénomène incluent ceux qui impliquent une perte de résine, tels que le traitement des préimprégnés ou les dépôts humides avec un sac sous vide. L'exsudation excessive de la résine peut également être importante dans les structures sandwich utilisant un matériau de noyau dans lequel la résine peut être absorbée dans le noyau.
Pour atténuer la porosité causée par un ressuage excessif de la résine, des techniques de dépôt de matériaux minutieuses doivent être utilisées. Cela inclut l'application appropriée du tissu de purge et l'utilisation de consommables appropriés tels que le tissu de purge approprié ou les matériaux de purge appropriés.
Espace vide dû à la géométrie et à l'erreur dimensionnelle de l'outil[éditer | modifier la source]
La porosité peut également provenir d'espaces vides provoqués par des facteurs géométriques, notamment des pontages, des chutes de plis ou des erreurs dimensionnelles dans les outils. Le pontage fait référence à une situation dans laquelle la fibre ne se conforme pas exactement à la géométrie de l'outil, conduisant à un excès d'épaisseur dans la zone à teneur réduite en fibres. La porosité résultante peut provenir soit de l'incapacité de la résine à remplir cette zone, soit de l'effet de dégagement de gaz lorsque la zone, remplie par moins de résine, est sous une pression plus faible.
Ce phénomène peut également se produire dans le contexte de chutes de plis, comme démontré dans une expérience impliquant une plaque de calfeutrage relativement rigide et des chutes de plis à diverses positions. Ces chutes créent des sections de pression plus faible, ce qui pourrait potentiellement conduire à une porosité si la résine ne s'écoule pas et ne remplit pas correctement ce volume.
Ces phénomènes induisant de la porosité sont généralement rencontrés lors de l'étape de dépôt de matériau et pourraient affecter tout processus caractérisé par de telles situations géométriques. Pour atténuer ce phénomène, les stratégies consistent notamment à modifier les techniques de dépôt de matériau, à affiner la conception de la forme pour éviter d'induire des facteurs tels que des angles vifs ou des chutes de plis agressives, à éliminer les espaces entre l'outil et la pièce et à appliquer une pression de consolidation appropriée pour garantir une meilleure conformation des fibres et éviter les pontages. .
Une autre préoccupation connexe concerne les erreurs dimensionnelles d’outillage. Si les espaces entre l'outil et le stratifié ne sont pas correctement remplis, ce volume vide a tendance à attirer le flux de résine, conduisant à un saignement excessif. Les processus susceptibles de se produire dans cette situation, se produisant à la fois pendant les étapes de dépôt de matériaux et de transformation thermique, nécessitent des stratégies d'atténuation similaires à celles mentionnées précédemment.
Porosité dans la structure sandwich[éditer | modifier la source]
Lorsqu’on parle de structures sandwich dans le contexte des matériaux composites, plusieurs sources de porosité deviennent pertinentes et il est avantageux de les aborder collectivement.
L'un des mécanismes implique des matériaux de base, tels que la mousse à cellules ouvertes ou le Balsa, qui peuvent absorber la résine. Ce processus d'absorption conduit à une situation de saignement excessif dans laquelle ces matériaux « assoiffés », lorsqu'ils sont combinés avec des fibres et de la résine, extraient l'excès de résine, rendant le composite fibre-résine considérablement plus sec.
Une autre cause potentielle de porosité survient lorsque l’adhésif subit une faible pression de résine. Comme le démontre l'une des images ci-jointes, lorsque la résine est soumise à une pression réduite, les substances volatiles contenues dans le matériau peuvent commencer à dégager des gaz, créant des bulles et conduisant ensuite à une porosité.
Le fait de creuser la feuille frontale ou de l'éloigner de l'outil contribue également à la formation de porosité. Comme illustré sur la micrographie, cela est visible lorsque les plis semblent s'éloigner et se creuser entre les parois de l'âme en nid d'abeilles. Ce déplacement provoque la formation de porosité entre les couches stratifiées. Une image d'accompagnement met en évidence la manière dont le stratifié devient ondulé, présentant une combinaison de porosité et de capitons comme défauts.
De plus, l’humidité absorbée dans le noyau peut migrer dans la résine au cours du processus, créant ainsi une porosité, souvent au niveau de l’interface noyau-fibre. Il est important de noter que ces mécanismes sont présentés dans un contexte superficiel et de haut niveau, car les structures ou noyaux sandwich peuvent comprendre différents types de matériaux de noyau. Ceux-ci peuvent aller de la mousse ou du bois de balsa aux structures en nid d'abeille, et même dans la catégorie des nids d'abeilles, des matériaux comme le nid d'abeilles Nomex, un fibre d'aramide avec de la résine phénolique, ou des nids d'abeilles en aluminium.
Gaz non dissous et volatils dans la résine (bulles visibles)[éditer | modifier la source]
Une autre source de porosité au sein des matériaux composites, qui peut sembler plus intuitive que d'autres mécanismes, est la présence de gaz non dissous et de substances volatiles dans la résine, visibles sous forme de bulles lors du traitement. Si ces inclusions gazeuses ne sont pas effondrées ou correctement éliminées, elles restent en suspension dans la résine et finissent par être piégées dans le matériau lors du durcissement.
Les étapes de fabrication qui contribuent à ce problème incluent la phase de formulation de la résine, où certaines résines peuvent avoir une plus forte propension à piéger les bulles. L’étape de dépôt du matériau joue également un rôle, qui sera abordé dans les sections suivantes, ainsi que la phase de transformation thermique, au cours de laquelle les bulles sont définitivement piégées au sein du matériau.
Les processus les plus affectés par cette forme de porosité sont ceux qui impliquent le mélange de résine liquide, y compris l'application par voie humide, l'infusion et la pulvérisation. Les processus préimprégnés sont moins susceptibles d’être affectés.
Les stratégies d'atténuation ou « puits » pour ces bulles reposent fortement sur des techniques de dépôt de matériaux. Une méthode telle que le dégazage peut s’avérer efficace pour éliminer ces bulles et éliminer leur contenu. Ce sujet revêt une importance particulière pour les processus d’infusion sous vide et de moulage par transfert de résine et sera exploré plus en détail dans la partie suivante de cette discussion. En résumé, les gaz non dissous et les substances volatiles constituent un contributeur notable à la porosité des matériaux composites.
Retrait de la résine[éditer | modifier la source]
Le retrait de la résine est un autre mécanisme induisant la porosité à prendre en compte. Lorsque le polymère et le durcisseur subissent un durcissement, la résine subit un phénomène connu sous le nom de « retrait dû au durcissement ». Il s'agit d'une légère diminution du volume de la résine, conduisant souvent à une contrainte résiduelle due à l'absence de retrait correspondant dans la fibre, ce qui crée une disparité de contrainte entre les deux composants.
Une conséquence intéressante de ce retrait de résine est l’expansion potentielle de la bulle de porosité. Une expérience menée par Mohammad Moshini dans notre laboratoire a cherché à observer et quantifier ce phénomène. Dans l’expérience, une résine pure avec de minuscules morceaux de fibres agissant comme traceurs a été observée au microscope. Une bulle observée au début du processus de durcissement s’est avérée augmenter en taille avec le temps à mesure que la résine se rétrécissait autour d’elle. Le vide, sans structure ni rigidité inhérente, a pu augmenter en taille en raison du retrait de la résine.
Au sein d'un lit de fibres, ce phénomène n'est peut-être pas aussi prononcé, car la présence de la fibre affecte la façon dont la porosité augmente en taille, mais le mécanisme fondamental est le même. Ce processus se produit généralement pendant l'étape de transformation thermique, lorsque le retrait de durcissement se produit. Tout processus pourrait potentiellement être sensible à ce phénomène, et la plupart des stratégies d’atténuation s’appliqueraient. La principale préoccupation est que le retrait du durcissement peut potentiellement amplifier la taille des bulles dans la porosité, augmentant ainsi la porosité.
Absence ou insuffisance de consolidation[éditer | modifier la source]
La dernière source de porosité à aborder dans les matériaux composites concerne le manque de consolidation. Une consolidation insuffisante signifie que la fibre et la résine ne sont pas suffisamment maintenues ensemble sous pression, ce qui entraîne une porosité. En appliquant plus de pression, nous pouvons repousser ou réeffondrer les bulles dans la résine, réduisant ainsi la porosité.
Nous observons ce phénomène aussi bien dans les étapes de dépôt de matériau que de transformation thermique. Presque tous les processus nécessitent une forme de consolidation. Dans le cas d'un drapage humide sans sac sous vide, la force gravitationnelle assure la consolidation nécessaire. Cependant, dans d'autres scénarios, on pourrait utiliser un sac sous vide utilisant la pression sous vide, la pression d'un moulage par transfert de résine (RTM) moule, ou une presse pour la consolidation. Chaque processus comprend un certain degré de consolidation.
Divers facteurs, notamment les techniques de dépôt de matériaux, la conception des pièces et la pression appliquée via la méthode de consolidation choisie, peuvent avoir un impact sur le degré de porosité observé. Un exemple classique peut être observé dans les tissus composites pré-imprégnés (préimprégnés) traités dans et hors d'un autoclave. Un préimprégné autoclavé présente généralement une faible porosité, comme le montre l'image de gauche, avec des traces de porosité minimes. Cependant, un préimprégné non autoclavé a tendance à présenter plus de porosité, comme illustré à droite.
Cet exemple ne suggère pas que tous les préimprégnés non autoclavés présenteront une porosité plus élevée. Il existe des matériaux spécialement conçus pour une utilisation hors autoclave qui produisent des pièces à très faible porosité. Cependant, cette comparaison souligne l’idée selon laquelle la pression de l’autoclave exerce une pression de consolidation importante sur le matériau. À l’inverse, les processus hors autoclave, avec uniquement la pression atmosphérique du sac sous vide, exercent moins de pression, ce qui peut potentiellement conduire à des niveaux de porosité plus élevés.
Fuite outil/sac/aspirateur[éditer | modifier la source]
La porosité des matériaux composites peut être induite par des fuites d'outils, de sacs ou de vide, de l'air ou du gaz s'infiltrant dans le système et restant ensuite piégés, contribuant ainsi à la porosité. Ces fuites peuvent provenir de diverses sources, telles que des plis de ruban collants, des chevauchements, des entrées/sorties et des cas de passage d'objets, notamment du ruban adhésif, une couche pelable ou une fibre de renforcement. Les perforations du sac sous vide et les fuites de consommables, telles qu'une fuite du tube d'entrée, sont d'autres sources potentielles. De plus, les outils fuient en raison de dommages, de soudures médiocres, de surfaces d'outils mal scellées ou même de matériaux d'outillage. perméabilité peut contribuer à la porosité.
Ces fuites surviennent généralement et affectent le niveau de porosité finale lors de deux étapes du processus de fabrication : le dépôt de matière et la transformation thermique. Ce problème affecte principalement tous les processus en moule fermé qui impliquent le vide.
Pour atténuer ces fuites et donc cette porosité, plusieurs « puits » peuvent être mis en place. Il s'agit notamment d'affiner les techniques de dépôt de matériaux et d'éliminer les fuites de vide dans la configuration des outils et des sacs sous vide, y compris les consommables. De plus, effectuer un test de fuite est une mesure préventive efficace pour détecter et rectifier toute fuite potentielle, réduisant ainsi le risque de porosité due aux fuites d'outils, de sacs ou de vide.
Dégazage[éditer | modifier la source]
Le dégazage, phénomène impliquant la libération de gaz avant la gélification et la vitrification de la résine, est un facteur important contribuant à la porosité des matériaux composites. Ses implications peuvent varier, comme en témoignent les résultats différents dans les revêtements de sol époxy et les applications spatiales. Les sources de dégazage peuvent également être influencées par la température. Ces gaz peuvent comprendre de l'air, de l'humidité, des substances volatiles de faible poids moléculaire et des sous-produits de durcissement. Ils peuvent provenir de diverses sources telles que les substances volatiles absorbées dans la fibre, les gaz dissous et les substances volatiles dans la résine, l'humidité dans la fibre et la résine, ainsi que la formation de sous-produits de réaction de durcissement. En particulier sous vide, l'humidité qui s'évapore peut servir de sites de nucléation, favorisant le développement de la porosité pendant le durcissement. Cette humidité peut provenir soit de la fibre, soit de la résine. L’extraction complète de l’humidité n’est généralement pas pratique.
L'effet de l'humidité sur les niveaux de porosité finale peut être observé à différentes étapes du processus de fabrication, notamment le stockage, la formulation (mélange), dépôt de matière, et transformation thermique. L'humidité affecte potentiellement tous les processus impliqués dans la fabrication.
Pour atténuer la porosité due à l’humidité, plusieurs stratégies peuvent être utilisées. Celles-ci impliquent le dégazage et la réduction de la masse, qui impliquent l'utilisation d'un vide pour éliminer l'air, l'humidité et les substances volatiles présentes dans la résine ou le stratifié préimprégné. De plus, le contrôle de l’historique thermique, tel que le temps d’arrêt et le cycle de durcissement, peut réduire considérablement la croissance des bulles provoquées par l’humidité.
Un stockage et une manipulation appropriés sont essentiels au maintien de la qualité des matériaux composites. Les préimprégnés, par exemple, nécessitent un transport et un stockage à froid, ce qui empêche une progression prématurée du durcissement, ce qui peut conduire à des propriétés de manipulation moins souhaitables, et même affecter les propriétés du pli durci. Il est également important de noter que bon nombre de ces matériaux ont une durée de conservation définie, généralement d'environ un an. L'utilisation de matériaux périmés ou mal stockés et manipulés peut avoir un impact négatif sur la qualité de la pièce finale et sur la facilité de fabrication.
L'humidité constitue une menace importante pour les préimprégnés, nécessitant ainsi un contrôle de l'humidité pendant le transport et le stockage. L'humidité peut se condenser sur la surface extérieure des matières premières et être absorbée par la résine, en particulier lorsque les emballages sont ouverts immédiatement après les avoir sortis du congélateur. Un excès d'humidité au sein des préimprégnés peut dégrader considérablement les propriétés finales de la pièce composite. L'humidité présente dans la couche peut se vaporiser pendant le chauffage, entraînant une porosité excessive dans la pièce finale, ce qui indique que même de petites quantités d'eau peuvent conduire à une porosité importante.
Problèmes avec la résine circulant à travers le lit de fibres[éditer | modifier la source]
Dans le contexte de l'écoulement de la résine à travers le lit de fibres lors de la fabrication des matériaux composites, il est essentiel de comprendre deux types d'écoulements distincts : l'écoulement à travers les interstices entre les câbles de fibres flux macroscopique) et le flux directement dans les câbles de fibres (microscopique). Au sein de ces deux types d’écoulement, trois phénomènes uniques émergent, à savoir le doigté, l’écoulement croisé et l’effet de mèche.
Le doigté caractérise le motif avance-retard observé dans la résine flux avant, imitant la forme des doigts. Le front d'écoulement principal peut être situé entre les traits, tandis que le front d'écoulement en retard peut se trouver à l'intérieur des traits, ou vice versa. L'écoulement transversal, quant à lui, implique un écoulement transversal de la résine par rapport à la direction d'écoulement primaire, créant une dispersion latérale. L'effet de mèche fait référence au mouillage partiel du lit de fibres en avant du front d'écoulement, dans lequel la résine est attirée vers l'avant en raison de la pression capillaire.
Ces phénomènes, individuellement ou combinés, peuvent piéger des gaz et former des porosités, qui peuvent être piégées entre ou dans les câbles. Les bulles de gaz résultantes peuvent être éliminées après le processus de remplissage du moule. L’émergence du doigté, du flux croisé et de la mèche dépend de plusieurs paramètres. Ces paramètres incluent architecture fibre, vitesses d'écoulement de la résine, traînée/forces visqueuses, consommables et géométrie des pièces.
Architecture fibre[éditer | modifier la source]
Lorsque la résine s'écoule à travers le lit de fibres lors de la fabrication des composites, l'architecture des fibres joue un rôle crucial dans la détermination du modèle d'écoulement résultant. Cette architecture représente essentiellement ce avec quoi la résine interagit ou « voit » lors de son mouvement. Une multitude de fonctionnalités, notamment les espaces, les points de suture, le nombre de fibres par remorquer, la symétrie, la direction du câble, les ondulations et les particules de liant peuvent avoir un impact significatif sur la trajectoire du flux de résine.
À titre d’illustration, les espaces et les frisures situés entre les câbles de fibres présentent généralement une perméabilité plus élevée que les câbles de fibres eux-mêmes. Par conséquent, la résine a tendance à s'écouler préférentiellement dans ces interstices pour occuper l'espace vide disponible. De même, les points influencent également le modèle d’écoulement. Dans les tissus comportant des points asymétriques sur leurs côtés supérieur et inférieur (tels que des points simples et doubles), des modèles de flux variables peuvent être observés de chaque côté en raison des caractéristiques structurelles distinctives.
Vitesses d'écoulement de la résine[éditer | modifier la source]
La vitesse d'écoulement de la résine joue un rôle important dans la détermination du modèle d'écoulement et du niveau de porosité finale de la pièce. Les vitesses d'écoulement dépendent à leur tour de la viscosité de la résine, de la différence de pression, des perméabilités à la fois de l'étoupe et du lit de fibres poreuses global, ainsi que de la pression capillaire. Il est indiqué qu'à faible débit, le flux à l'intérieur des câbles de fibre conduit le flux entre les câbles. À l’inverse, à un débit élevé, le flux entre les câbles de fibre entraîne le flux à l’intérieur des câbles.[4]. Par conséquent, à faible débit, la porosité est plus susceptible d'exister dans la région entre les câbles, tandis qu'à des débits plus élevés, la porosité peut être piégée dans la région intra-étoupe.
Généralement, la vitesse d'écoulement fait référence à la vitesse du front d'écoulement primaire. Cette vitesse du front d'écoulement peut être manipulée soit en contrôlant le débit d'entrée, soit en utilisant des consommables tels qu'un maillage d'écoulement pour modifier la perméabilité globale. La vitesse du front d’écoulement peut être utilisée comme indicateur général du débit. Cependant, il est crucial de noter que les vitesses d’écoulement à plus petite échelle ne sont pas des valeurs statiques, mais varient constamment au sein d’un stratifié. Chaque type d'écoulement a sa propre vitesse, qui change au fur et à mesure que la résine s'écoule de l'entrée vers la sortie.
Viscosité de la résine et forces visqueuses/traînée[éditer | modifier la source]
La configuration du front d'écoulement de la résine, en plus de la vitesse d'écoulement de la résine, est fortement influencée par la viscosité de la résine et son interaction avec le lit de fibres. Des facteurs tels que la tension superficielle, la force de mouillage et l’angle de contact jouent un rôle important dans cette interaction. Les résines possédant une faible viscosité et de bonnes capacités de mouillage peuvent facilement pénétrer dans les câbles de fibres, conduisant à des motifs de doigté et de mèche prononcés à de faibles débits. À des débits plus élevés, la résine s'écoule interstitiellement entre les câbles de fibres et dirige le flux à l'intérieur des câbles, et la résine à faible viscosité peut également s'infiltrer rapidement dans le câble de fibres pour suivre le rythme du front d'écoulement. En revanche, une résine à haute viscosité ayant des capacités de mouillage moindres s'écoulera autour des câbles à un débit élevé, avec un retard important dans la pénétration des câbles. Il en résulte un grand écart (distance) entre le front d'écoulement et la région de saturation complète du lit de fibres, piégeant ainsi les bulles dans le câble et contribuant à la porosité de la pièce finale.
Le concept de traînée visqueuse dans le contexte de la fabrication de composites par moulage liquide concerne la résistance subie par le lit de fibres lorsque la résine visqueuse le traverse. La force de traînée est importante car une fois le moule rempli ou la pièce infusée, il est possible d'injecter ou de rincer la résine à un débit plus élevé pour éliminer les bulles après la formation, un processus appelé rinçage, saignement ou purge. Cette méthode implique principalement le mouvement, l'allongement et la rupture des bulles, avec une recombinaison intermittente, dans le but d'éliminer ou de réduire la porosité. La force de traînée dépend de variables telles que la viscosité de la résine, le dimensionnement des fibres, la tension superficielle, les consommables tels que les plis pelables ou les mailles fluides, les agents de démoulage et la géométrie de la pièce.
Géométrie de la pièce[éditer | modifier la source]
La géométrie des pièces influence le modèle d'écoulement de la résine de manière plus intuitive. Des caractéristiques telles que le changement d'épaisseur, les coins et les contours créent différents chemins d'écoulement de la résine. Dans ces zones, la résine peut accélérer, ralentir ou être entièrement bloquée, conduisant à des vides ou à des régions de concentration de résine plus élevée.
Par exemple, dans les zones d'une pièce qui sont plus étroites ou qui ont des sections transversales plus petites, le débit de résine peut augmenter en raison de cette constriction. Ce flux accéléré pourrait potentiellement laisser des vides, comme indiqué dans les sections ci-dessus. Au contraire, dans des sections plus larges ou plus épaisses, la résine peut ralentir, conduisant à des modèles de front d'écoulement différents.
En outre, les sections verticales ou les inclinaisons dans la géométrie de la pièce peuvent également présenter des problèmes en raison de l'effet de la gravité sur l'écoulement de la résine. Ces zones peuvent nécessiter un contrôle minutieux des débits ou l’utilisation de stratégies d’infusion spécifiques pour garantir un bon mouillage de la fibre et éviter les vides ou les zones riches en résine.
Dans l’ensemble, la géométrie d’une pièce nécessite un examen attentif et nécessite souvent des stratégies d’infusion de résine sur mesure pour garantir un composite optimal et sans vide. Visite développement de forme pour en profiter.
Transport de gaz insuffisant dans le stratifié[éditer | modifier la source]
Le transport de gaz au sein d’un stratifié peut affecter la porosité d’un matériau composite. Si le gaz contenu dans un stratifié ne peut pas s’échapper, cela peut entraîner une porosité. L'évacuation de ce gaz via des mécanismes de transport de gaz peut entraîner une réduction de la porosité. Le mécanisme principal est le déplacement du gaz dans les chemins d'écoulement le long de la fibre, souvent à l'intérieur des câbles. Lorsque la résine sature les câbles pendant le processus, elle bloque ces chemins et ne laisse pas passer le gaz, le piégeant efficacement dans le composite.
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Références
- ↑ [Réf] Fernlund, G et coll. (2016). "Causes et remèdes à la porosité dans la fabrication des composites". 139 (1). Édition de l'Institut de physique. est ce que je:10.1088/1757-899X/139/1/012002. ISSN 1757-8981. Citer le journal nécessite
|journal=(vous aider)Maint CS1 : ponctuation supplémentaire (lien) Maint CS1 : utilise le paramètre auteurs (lien) - ↑ [Réf] Bowles, Kenneth J. ; Frimpong, Stephen (1992). "Effets du vide sur la résistance au cisaillement interlaminaire des composites unidirectionnels renforcés de fibres de graphite". 26 (10). est ce que je:10.1177/002199839202601006. ISSN 0021-9983. Citer le journal nécessite
|journal=(vous aider)Maint CS1 : utilise le paramètre auteurs (lien) - ↑ [Réf] Leclerc, Jean Sébastien; Ruiz, Edu (2008). "Réduction de la porosité grâce à une vitesse d'écoulement optimisée dans le moulage par transfert de résine". 39 (12). Elsevier SA est ce que je:10.1016/j.compositesa.2008.09.008. ISSN 1359-835X. Citer le journal nécessite
|journal=(vous aider)Maint CS1 : utilise le paramètre auteurs (lien) - ↑ [Réf] Molnar, JA et coll. (1989). "Écoulement de liquide dans des moules avec tapis de fibres prélocalisés". 10 (6). est ce que je:10.1002/pièce.750100605. ISSN 0272-8397. Citer le journal nécessite
|journal=(vous aider)Maint CS1 : ponctuation supplémentaire (lien) Maint CS1 : utilise le paramètre auteurs (lien)
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Bienvenue au Centre de connaissances en pratique (KPC) du CKN. Le KPC est une ressource pour l'apprentissage et l'application des connaissances scientifiques à la pratique de la fabrication de composites. Lorsque vous naviguez dans le KPC, reportez-vous aux informations de ce volet de droite en tant que ressource pour comprendre les subtilités du traitement des composites et pourquoi le KPC est organisé de la manière dont il est. La vidéo suivante explique l'approche KPC :
Comprendre le traitement des composites
Le Knowledge in Practice Center (KPC) s'articule autour d'une réflexion structurée sur la fabrication des matériaux composites. De haut en bas, la hiérarchie se compose de :
- L'usine
- Cellules d'usine et/ou aménagement d'usine
- Étapes du processus (incarnées dans le flux de processus d'usine) composé de :
La manière dont le matériau, la forme, l'outillage et les consommables et l'équipement (en abrégé MSTE) interagissent les uns avec les autres au cours d'une étape du processus est essentielle au résultat de l'étape de fabrication et, en fin de compte, essentielle à la qualité de la pièce finie. Les interactions entre MSTE au cours d'une étape de processus peuvent être nombreuses et complexes, mais le Knowledge in Practice Center vise à vous faire prendre conscience de ces interactions, à comprendre comment un paramètre affecte un autre et à comprendre comment analyser le problème à l'aide d'une approche basée sur les systèmes. En utilisant cette approche, l'usine peut alors être développée avec une compréhension et un contrôle complets de toutes les interactions.
Interrelation de la fonction, de la forme, du matériau et du processus
La conception pour la fabrication est essentielle pour assurer la productibilité d'une pièce. Un problème survient lorsqu'il est considéré trop tard ou pas du tout dans le processus de conception. À l'inverse, la conception de processus (contrôler les interactions entre la forme, le matériau, l'outillage et les consommables et l'équipement pour obtenir le résultat souhaité) doit toujours tenir compte de la forme et du matériau de la pièce. Ashby a développé et vulgarisé l'approche liant le design (la fonction) au choix du matériau et de la forme, qui influencent le procédé choisi et inversement, comme illustré ci-dessous :
Au sein du Knowledge in Practice Center, la même méthodologie est appliquée, mais le processus est défini plus complètement en appelant également explicitement les l'équipements ou outillages & consommables. Notez que dans l'usage courant, un processus qui se compose de plusieurs étapes peut être arbitrairement défini par une seule étape, par exemple "pulvérisation". Bien que pratique, cela peut être trompeur.
Les flux de travail
Les volumes de pratique et d'étude de cas du KPC se composent de trois types de flux de travail :
- Développement - Analyser les interactions entre les MSTE dans les étapes du processus pour prendre des décisions sur les paramètres de traitement et comprendre comment les étapes du processus et les cellules de l'usine s'intègrent dans l'usine.
- Dépannage - Vous guider vers les causes possibles des problèmes de traitement affectant le coût, le taux ou la qualité et vous diriger vers le workflow de développement le plus approprié pour améliorer le processus
- Optimisation - Une extension des workflows de développement où un plus grand nombre d'options sont envisagées pour obtenir le meilleur mélange de coût, de taux et de qualité pour votre application.
