Détourage des composites

Intégrité de surface

Lors de l’usinage, le comportement des matériaux composites, et plus spécifiquement des stratifiés carbone/époxy, est bien différent de celui des aciers. De nouveaux phénomènes tels que l’arrachement des fibres, le délaminage ou la dégradation thermique de la matrice entrent notamment en ligne de compte. Il est nécessaire de les contrôler pour éviter la création de zones endommagées (amorces de fissures, matrice affectée thermiquement, etc.). Plusieurs moyens existent pour vérifier la qualité du produit fini; on peut par exemple citer la mesure de rugosité, la détection ou la non-détection de délaminage ou la mesure de température lors de l’usinage.
Concernant la rugosité après usinage, de nombreuses études récentes s’accordent à dire que les principaux paramètres qui ont une influence sur la rugosité après usinage sont l’orientation des fibres et les paramètres de coupe.

Corrélation entre propriétés mécaniques et taux de porosité

L’industrie aéronautique est très exigeante en matière de qualité du composite et particulièrement en ce qui a trait au taux de porosité. Ils n’acceptent en réalité que de très faibles taux résultant de leurs procédés de mise en forme. En effet, de nombreuses études ont démontré la relation entre le taux de porosité et les propriétés mécaniques du matériau, et celles-ci s’inscrivent davantage dans le cadre d’applications où les taux deviennent significatifs. Plusieurs approches d’analyse ont été envisagées et développées, mais celle qui reste prédominante est la démonstration expérimentale. On peut par exemple citer Ghiorse (Ghiorse, 1993) qui mit en évidence ce lien. Son étude expérimentale consiste à cuire en autoclave, à des pressions variées, des stratifiés carbone/époxy de 16 plis [0/90]4s. Cette technique permet d’obtenir des matériaux ayant des taux de porosité différents. Grâce à cela, il met en place un modèle exponentiel entre taux de porosité et résistance au cisaillement interlaminaire. En revanche, la corrélation entre les résultats expérimentaux et le modèle mathématique n’est pas concluante.

Taux de porosité et pression lors du moulage en autoclave

Le procédé de moulage en autoclave est souvent utilisé dans l’industrie aéronautique, Olivier (1995) a étudié l’influence de la pression lors de la cuisson de stratifiés carbone/époxy sur le taux de porosité (Olivier, Cottu et Ferret, 1995). Ceci lui permet d’établir une relation entre pression dans l’autoclave et taux de porosité .Plus tard, Ling (2006) a renouvelé l’expérience avec un équipement de détection du vide plus précis et a testé plusieurs grandeurs caractéristiques des propriétés mécaniques du matériau (Ling et al., 2006). Il se base sur l’étude de stratifiés carbone/époxy de 12 tissus préimprégnés ([0/90]3s). Ceci lui permet d’établir plusieurs conclusions. Tout d’abord, il confirme l’existence d’une relation exponentielle entre pression au sein de l’autoclave lors de la cuisson et taux de porosité en affinant le modèle . De plus, il arrive à la conclusion que seuls l’ILSS, le module de flexion et la résistance à la flexion sont réellement influencés par la porosité contrairement au module élastique et à la résistance en traction du stratifié.

Mesure de porosité

Dans les études vues précédemment, la qualité de la mesure est un point clé pour la validation des résultats expérimentaux obtenus. Plusieurs techniques ont été utilisées ces trente dernières années. Au début des années 1990, Ghiorse (1993) a utilisé dans son étude une combinaison de deux techniques; une méthode destructive basée sur une mesure de densité et la destruction de la matrice (D3171-11, 2009) et une méthode non destructive basée sur l’analyse d’images obtenues à l’aide d’un microscope optique (Ghiorse, 1993). En réalisant une étude statistique, il arrive à la conclusion qu’en dessous de 1% de taux de porosité l’intervalle de confiance associé à ses mesures est trop grand pour pouvoir considérer les valeurs mesurées.
Dans les années 2000, l’utilisation de méthodes destructives (digestion de la matrice, pyrolyse de la matrice, etc.) pour la mesure de porosité se fait plus rare. Ceci peut s’expliquer par la nécessité dans l’industrie de ne pas altérer le matériau lors de la mesure. La technologie de mesure par ultrason a donc été privilégiée dans les études scientifiques (Rubin, Koushyar, Ling). Cette technique est intéressante puisqu’un lien direct a été établi entre le taux de porosité du matériau et son coefficient d’absorption ultrasonique. Cette conclusion définie par Costa (2001) a été confirmée par Ling (Ling et al.,2006).

Optimisation des paramètres de coupe

Pour optimiser les paramètres de coupe, 4 vitesses d’avance et 8 vitesses de coupe ont été testées dans les mêmes conditions (outil de coupe, montage, etc.). Toutes les combinaisons possibles ont été testées à 2 reprises. L’optimisation se fait sur la base de l’analyse des efforts de coupe, en privilégiant des efforts les plus faibles possibles (usure d’outil moins rapide, échauffement moins important, etc.). On observe que les efforts de coupe sont minimaux dans 2 zones. La zone 1 se situe à faible vitesse de coupe (≈ 250 m/min) et faible vitesse d’avance (≈ 0.2 mm/tr). La zone 2 se situe à haute vitesse de coupe (≈ 450 m/min) et haute vitesse d’avance (≈ 0.5 mm/tr). À l’observation du graphique, il semble que la première zone soit plus stable. S’il est appliqué une faible variation de la vitesse de coupe en zone 2 les efforts de coupe augmentent fortement. Il semble que ce comportement n’est pas présent en zone 1.
En conclusion, pour minimiser les efforts de coupe, avec le matériau considéré et l’outil de coupe utilisé, une vitesse de coupe de 250 m/min et une faible vitesse d’avance sont à privilégier.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Détourage des composites
1.1.1 Intégrité de surface
1.1.2 Usinabilité
1.2 Porosité et propriétés mécaniques
1.2.1 Corrélation entre propriétés mécaniques et taux de porosité
1.2.2 Taux de porosité et pression lors du moulage en autoclave
1.2.3 Mesure de porosité
1.2.4 Détermination des propriétés mécaniques
1.3 Conclusions et objectifs de recherche
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Introduction
2.2 Fabrication des laminés
2.2.1 Choix du matériau
2.2.2 Fabrication
2.3 Mesure de porosité
2.4 Évaluation des propriétés mécaniques
2.4.1 Essai de flexion trois points
2.4.2 Essais short beam
2.5 Essais de détourage et analyse des efforts de coupe
2.6 Évaluation de la qualité finale de la pièce
2.6.1 Mesure de rugosité après détourage
2.6.2 Évaluation du délaminage
CHAPITRE 3 RÉSULTATS
3.1 Taux de porosité et pression de mise en forme
3.2 Pression de mise en forme et propriétés mécaniques
3.2.1 Flexion trois points
3.2.1.1 Analyse de la contrainte normale maximale
3.2.1.2 Analyse de la déformation maximale
3.2.1.3 Analyse des modules
3.2.2 Essais Short Beam
3.3 Analyse des efforts de coupe
3.3.1 Étude préliminaire
3.3.2 Analyse ANOVA
3.3.3 Conclusions et Comparaisons avec les recherches précédentes
3.4 Qualité après détourage
3.4.1 Rugosité
3.4.2 Délaminage
CHAPITRE 4 APPLICATION À UN AUTRE MATÉRIAU
4.1 Optimisation des paramètres de coupe
4.2 Taux de porosité et pression de mise en forme
4.3 Essais mécaniques
4.3.1 Essais Short Beam
4.3.2 Essais de flexion trois points
4.4 Détourage et forces de coupe