Soutenance mémoire
Composite Sheet Moulding Compound ou (SMC)
Dans le secteur automobile, les faibles coûts de mise en œuvre et de production ainsi que le gain en masse sont souvent des critères décisifs dans le choix des matériaux utilisés. Grâce à leurs bonnes caractéristiques mécaniques, leur facilité d’élaboration et leur densité relativement basse, les matériaux SMC sont au cœur des développements de structures composites pour l’automobile.
Les constituants des SMC
Les composites SMC sont généralement constitués d’une résine polyester renforcée de mèches de fibre de verre coupées. Les résines de polyesters insaturés sont principalement utilisées pour la fabrication de moulages dans le bâtiment et surtout pour les pièces de structure automobiles et aéronautiques [9]. Les composites à base de ces résines sont assez hétérogènes et très complexes. La résine en ellemême, selon Jacobs et Jones [10], présente une structure bien hétérogène dans laquelle des domaines hautement réticulés sont séparées par d’autres domaines à faible degré de réticulation. Ceci est dû à la copolymérisation radicalaire. Yang et Lee [11] indiquent d’ailleurs que ceci peut être considéré comme un trait caractéristique du polyester insaturé.
Les composites SMC sont fortement chargés en particules de carbonate de calcium (Ca CO3). Ces charges minérales participent aussi grandement à l’augmentation de la rigidité du composite et à sa dureté superficielle. Toutefois, Durand [12] précise que le diamètre de ces charges doit être inférieur à 43 µm sous peine de dégrader les propriétés mécaniques. Par contre, on remarque une forte baisse de la résistance en traction en fonction du taux charge (surtout audelà de 50%) ainsi qu’une augmentation de la densité du composite avec le pourcentage de charges. Selon Berthelot [13], l’utilisation de charges minérales minimise l’allongement à la rupture du composite.
Les semi-produits SMC
La dénomination SMC provient de la désignation anglaise du procédé d’élaboration (Sheet Moulding Compound) permettant d’obtenir les semi-produits sous forme de préimprégnés destinés au moulage à chaud par compression des pièces de structure. Ce procédé est décrit dans le paragraphe suivant. Il existe encore d’autres formes commerciales de préimprégnés proches des SMC. On peut citer le DMC (Dough Moulding Compound), le BMC (Bulk Moulding Compound), le TMC (Thick Moulding Compound). Ces produits sont généralement des préimprégnés à matrice thermodurcissable renforcée de fibres de verre et chargée de particules minérale [14].
Procédé de fabrication des SMC
D’une façon générale, trois étapes principales constituent l‘élaboration d’une plaque ou d’une pièce en SMC :
1) La phase d’élaboration du préimprégné.
2) La phase de mûrissement du préimprégné.
3) La phase de réticulation et le moulage sous pression.
La fabrication du préimprégné
Sur un tapis roulant d’une longueur pouvant atteindre plus de dix mètres, est déroulé un film de protection (en polyéthylène). La résine chargée (la pâte mère) est appliquée au-dessus de ce film plastique. Des mèches de rowing contenant plusieurs centaines de fibres sont découpées par un sectionneur cylindrique à une longueur désirée (en général 25 mm) et viennent par la suite tomber sur la pâte de façon à obtenir un mat sec. Cette phase permet d’assurer une distribution aléatoire des fibres. A la fin de la chaîne, un deuxième film protecteur en polyéthylène vient prendre les mèches en sandwich en se superposant au-dessus. Pour assurer une bonne imprégnation, le préimprégné passe au travers d’un dispositif de compactage. Enfin, le préimprégné ainsi constitué est stocké sous forme de rouleaux.
Le mûrissement du préimprégné
A la fin de la première phase, le préimprégné est difficile à manipuler étant donnée la trop grande fluidité de la résine. Il est alors stocké à une température qui ne dépasse pas la température ambiante pendant une période assez longue (quelques semaines en général), pour garantir la prépolymérisation de la matrice durant laquelle des liaisons de type Wan Der Waals s’établissent ce qui permet une certaine rigidification du semi-produit.
Réticulation et moulage sous pression
La dernière étape pour l’obtention d’une pièce en SMC est le moulage à chaud. Au contact des parois du moule chauffé à environ 150°C, la viscosité du préimprégné commence par diminuer rapidement, ce qui lui permet d’épouser facilement la forme plus ou moins complexe du moule sous l’effet d’une pression moyenne comprise entre 100 à 120 bars. Puis très rapidement, la viscosité ré-augmente sous l’effet de la réticulation du polymère. Cette opération dure entre 2 et 3 minutes [15-16] ce qui permet d’atteindre des cadences de production de 700 à 800 pièces par jour.
Les différentes familles de composites SMC
SMC Standard
Il s’agit généralement d’une matrice polyester fortement chargée (50% en masse en générale) de particules de carbonate de calcium (CaCO3) renforcée par des fibres de verre d’une longueur moyenne de 25 mm présentes sous forme de mèches. Chacune contient environ 200 fibres. Le taux moyen de renforts est de l’ordre de 30% en masse. Ce type de SMC a une masse volumique de l’ordre de 1,88 g/cm3 [6-8].
SMC à haute performance (A-SMC)
L’Advanced SMC, (A-SMC), est caractérisé par un taux de fibres relativement élevé (> 50% de la masse totale) atteint grâce à l’utilisation d’une résine vinylester qui permet l’imprégnation d’un tel taux de fibres. Ce matériau permet d’avoir de hautes performances mécaniques [17-18].
SMC à basse densité (LD_SMC)
Ce type de SMC, (LD SMC) ou encore le Low Density SMC, est caractérisé par l’introduction de billes de verre creuses afin de réduire le poids sur les pièces de structures [19]. Cette variété de SMC permet de gagner plus de 30% en masse volumique par apport à un SMC standard, 1,22g/cm3 et est utilisé dans des applications qui ne nécessitent pas de très hautes performances mécaniques.
Comportement mécanique des composites
Le comportement d’un matériau composite est généralement anisotrope en fonction de la géométrie et de la distribution de ses divers constituants. En outre, l’architecture, le taux et l’orientation des renforts conditionnent le développement du caractère élasto-viscoplastique de la matrice et des phénomènes d’endommagement.
Les différentes échelles d’analyse
L’étude du comportement mécanique des matériaux composites nécessitent une analyse à différentes échelles afin de prendre en compte les différents modes de déformation et d’endommagement qui sont susceptibles d’apparaître au sein de ces matériaux. Ces différentes échelles sont :
♦ L’échelle microscopique qui concerne les plus fines hétérogénéités qui existent au sein du matériau. C’est l’échelle du renfort à laquelle les phénomènes d’endommagement se produisent.
♦ l’échelle macroscopique : celle qui voit le matériau comme étant homogène. C’est l’échelle du V.E.R. ou Volume Elémentaire Représentatif qui doit être suffisamment grand pour contenir statistiquement toutes les hétérogénéités de la microstructure. Par conséquent, à cette échelle, on considère une microstructure unique. Le V.E.R. doit être aussi suffisamment petit pour être considéré comme étant sollicité de façon homogène. C’est aussi l’échelle de la caractérisation mécanique. Ainsi, la zone utile d’un échantillon utilisé dans un essai de caractérisation devra contenir au moins un V.E.R.
♦ L’échelle de la structure quant à elle se distingue de l’échelle macroscopique par le fait qu’elle est soumise à des champs inhomogènes liés d’une part aux conditions limites, au design de la pièce et d’autre part à la variation de la microstructure au sein de la pièce.
♦ L’échelle mésoscopique qui se présente comme étant l’intermédiaire entre l’échelle microscopique et macroscopique. Elle est classiquement rencontrée dans les matériaux composites stratifiés au niveau d’un pli ou d’une couche considérée comme un matériau homogène. Elle existe aussi dans les matériaux SMC que l’on peut considérer comme une pseudo-stratification constituée de mèches coupées localement et superposées dans l’épaisseur du matériau .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1- Les matériaux composites : généralités
1-1 La matrice polymère
1-2 Renfort : les fibres de verre
1-3 Les charges, adjuvants et additifs
1-4 Composite Sheet Moulding Compound ou (SMC)
1-4-1 Les constituants des SMC
1-4-2 Les semi-produits SMC
1-4-3 Procédé de fabrication des SMC
1-4-4 Les différentes familles de composites SMC
2- Comportement mécanique des composites
2-1 Les différentes échelles d’analyse
2-2 Endommagement des composites
2-2-1 Les mécanismes d’endommagement et leurs échelles
2-2-2 Endommagement des matériaux SMC Standards
3- Modélisation Multi échelles
3-1 Modélisation multi-échelles – Principe d’homogénéisation
3-1-1 Bornes de Voigt et Reuss
3-1-2 Approche d’Eshelby
3-1-3 Problème de l’inclusion homogène d’Eshelby.
3-1-4 Problème hétérogène
3-1-5 Méthode des solutions diluées
3-1-6 Modèle auto-cohérent
3-1-7 Bornes de Hashin – Shtrikman
3-1-8 Modèle de Mori Tanaka
3-1-9 Choix d’un modèle micromécanique
3-2 Modélisation de l’endommagement
3-3 Modélisation de l’endommagement en fatigue : hypothèse et considération générales
3-3-1 Différents modèles de fatigues existants
CHAPITRE II COMPORTEMENT MECANIQUE DES SMC
1- Matériaux, variabilité de la microstructure et sélection des échantillons
1-1 Matériau d’étude
1-2 Caractérisation de la microstructure
1-2-1 Caractérisation par ultrasons
1-2-2 Microscopie Electronique à Balayage
2- Caractérisation mécanique
2-1 Essai de traction
2-2 Baisse de raideur en charge-décharge
2-3 Comportement en fatigue
2-3-1 Procédure expérimentale
2-3-2 Baisse de raideur en fatigue
2-3-3 Courbes de Whöler
2-4 Sélection par analyses d’endommagements
CHAPITRE III MODÉLISATION ET PRÉDICTION DE LA DURÉE DE VIE EN FATIGUE
1- Contexte du dimensionnement des composites à renforts discontinus
2- Lien expérimental entre l’endommagement sous chargement monotone et la durée de vie en fatigue
3- Modélisations hybrides
3-1 Principes des modélisations hybrides proposées
3-2 Modélisation micromécanique de l’endommagement sous chargement monotone
3-2-1 Cadre général
3-2-2 Les différentes phases du modèle de Jendli et al
3-2-3 Identification du modèle micromécanique
3-2-4 Résultats du modèle micromécanique sous chargement monotone
3-3 Approche hybride prédictive de la durée de vie en fatigue à partir d’une microstructure de référence
3-3-1 Passage d’une microstructure de référence à d’autres microstructures
3-3-2 Etude numérique de la sensibilité à la microstructure
3-4 Approche hybride prédictive de la durée de vie en fatigue à partir de l’équation d’état
3-4-1 Principes généraux
3-4-2 Méthodologie de l’approche hybride fondée sur l’équation d’état
3-4-3 Mise en œuvre de l’approche hybride fondée sur l’équation d’état
3-4-4 Résultats de l’approche hybride fondée sur l’équation d’état
3-5 Synthèse et limitations des modèles hybrides
CHAPITRE IV PROFIL DE CHARGEMENT VARIABLE
1- Chargement à amplitude de contrainte variable
1-1 Fatigue à amplitude variable alternée
1-1-1 Mode opératoire
1-1-2 Méthode de calcul d’endommagement cumulatif
1-1-3 Aspects cinétiques
1-1-4 Validation du modèle prédictif
1-1-5 Exploitation du modèle
1-2 Chargement variable à deux séquences
2- Chargement à température variable
2-1 Configuration de test
2-2 Résultats et prédiction
2-3 Analyse des résultats
CONCLUSION GENERALE
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