Soutenance mémoire
On l’a vu, les matériaux composites connaissent un engouement certain depuis plusieurs années. De par leurs propriétés mécaniques exceptionnelles par rapport à leur poids faible, ils se sont développés dans différents secteurs industriels comme l’aéronautique, le ferroviaire, l’automobile ou le sport. Les fibres de verre ou de carbone sont très largement utilisées comme renforts du composite pour des pièces structurelles ou non. En effet, elles offrent des propriétés mécaniques exceptionnelles. Cependant, ces fibres synthétiques consomment beaucoup d’énergie pour être fabriquées et ne sont pas biodégradables. Or, la problématique environnementale tient à cœur les industries d’aujourd’hui et de demain surtout pour les problématiques de recyclage et de fin de vie des pièces. C’est par cet enjeu que les fibres naturelles apparaissent. Elles sont certes moins résistantes que les fibres de carbone, mais ont l’avantage d’être plus légères avec une résistance spécifique comparable aux fibres de verre, d’être présentes en grande quantité, relativement bon marché, biodégradables, recyclables et consomment peu d’énergie pour être fabriquées, ce qui offre un aspect écologique non négligeable. De plus, ces fibres sont peu abrasives contrairement au carbone ou au verre, ce qui offre un aspect économique intéressant. En effet, la durée de vie d’un outil classique en carbure revêtu diamant n’est que de quelques mètres pour l’usinage d’un composite à fibres de carbone, mais elle serait beaucoup plus élevée pour un composite à fibre de lin qui est moins abrasif pour l’outil. Ainsi, le coût de l’outillage en serait réduit, ce qui s’avère non négligeable pour un industriel.
Les fibres naturelles, telles que les fibres de lin, et leurs composites trouvent une large gamme d’applications. On peut voir quelques apparitions dans les domaines récréatifs et sportifs, comme des kayaks écologiques en fibre de lin ou des raquettes de tennis nouvelle génération. Elles intéressent aussi le milieu de l’automobile pour la réalisation de pièces non structurales comme les garnitures de portières, les habillages de coffre, les tablettes arrière, les dossiers de siège ou coque de rétroviseur. Elles sont également utilisées dans la construction de bâtiments, dans l’emballage, dans les meubles ou dans la construction navale comme les winchs fait à base de matrice polymère et fibre de coton.
Cependant, Les fibres naturelles ne sont pas inertes comme le sont les fibres de verre ou de carbone mais sont relativement sensibles à la température et à l’humidité ce qui explique pourquoi elles sont encore peu utilisées industriellement. La plupart des articles de la littérature étudient l’influence de ces deux paramètres sur les propriétés mécaniques du composite polymère renforcé de fibres naturelles. Malheureusement, on ne trouve que peu d’études sur l’usinage de ces matériaux.
Classification et composition des fibres naturelles
Parmi les fibres naturelles, on distingue trois familles : d’origine minérale, animale ou végétale. Parmi les fibres naturelles, les fibres d’origine végétale ou fibres lignocellulosique se groupent en quatre familles :
– Les fibres extraites à partir des graines ou des fruits comme le coton, le kapok ou la noix de coco.
– Les fibres extraites à partir des tiges (bast fibers) comme le lin, le chanvre, le jute ou la ramie.
– Les fibres extraites à partir des feuilles (hard fibers) comme le sisal, l’abaca, le henequen, la banane, l’ananas ou la palme.
– Les fibres extraites à partir d’un tronc d’arbre comme les fibres de bois ou de palmier.
Parmi ces fibres, les plus utilisées sont les fibres de coton, lin et chanvre, ou encore de sisal, jute, kenaf ou de coco. Ces fibres offrent une résistance mécanique et des propriétés spécifiques excellentes. Produites localement, elles sont disponibles et leur prix est relativement bas.
Les fibres de lin élémentaires sont assemblées en faisceaux de 10 à 40 fibres maintenues ensemble par de la pectine . Pour les applications, les fibres sont séparées individuellement. Une particularité générale des fibres naturelles est leurs caractéristiques géométriques non uniformes, en effet, les fibres de lin présentent une forme polygonale ayant de 5 à 7 côtés . Les fibres sont plus grosses près de la racine et deviennent plus fines plus près de la pointe (Baley, 2002).
La structure cellulaire de la fibre naturelle est très complexe. Ces fibres sont principalement composées de cellulose, d’hémicellulose, de lignine et de pectine. Ainsi, elles sont ellesmêmes un composite en soit avec la cellulose jouant le rôle de renfort et l’hémicellulose, la lignine et la pectine jouant le rôle de liant. Chaque fibre est constituée de plusieurs cellules ou fibrilles. Chaque cellule est constituée d’une paroi principale et de trois parois secondaires, S1, S2 et S3, sous forme cylindrique et concentriques . Le petit canal intérieur, appelé lumen, est vide et est responsable de l’absorption d’eau. Chaque paroi est constituée d’une matrice d’hémicellulose et de lignine et de micro fibrilles (renforts) de cellulose hautement cristallins et enroulés en spirale. L’orientation de ces micros fibrilles varie selon les différentes couches cellulaires mais reste constante à l’intérieur de chaque paroi. Pour les parois S1 et S3, l’angle entre les micros fibrilles et l’axe longitudinal de la fibre est grand et pour la paroi S2 l’angle est petit. Les micros fibrilles sont presque alignées à l’axe de la fibre et par conséquent présentent une structure unidirectionnelle. On note aussi que la plus grande quantité de cellulose (≈80%) est comprise dans la couche S2. On comprend donc que cette couche contribue à la majorité des propriétés mécaniques de la fibre. (Baley, 2002; Hoo Thi, 2008; Rong, 2001).
Les caractéristiques de chaque fibre (composition et propriétés) sont propres à chaque groupe de fibres (fibres extraites à partir de feuilles, tige ou graines) mais peuvent aussi varier pour une même famille de fibres. En effet, le climat, le terroir, la localisation de la plantation, l’âge de la fibre, la méthode de plantation et de récolte sont des facteurs qui influent sur la composition chimique de la plante et donc directement sur les propriétés mécaniques de la fibre. Comme vu plus haut, les principaux constituants de la fibre sont la cellulose, l’hémicellulose, la lignine et la pectine.
La cellulose est le principal constituant de la fibre. C’est un homopolymère linaire constitué de monomères de glucose (D-Anhydroglucopyranose (AGU)) qui sont liés, conduisant à des longues chaines de polymères linéaires non ramifiées. Ces polymères s’associent par des liaisons intermoléculaires de type hydrogène donnant ainsi une structure fibreuse à la cellulose. Les macromolécules sont ensuite facilement organisées en régions cristallines. La cellulose contribue à la rigidité, à la force et aux propriétés mécaniques de la fibre.
L’hémicellulose est le deuxième composant de la fibre. L’hémicellulose est composé de polysaccharidique non amylacée et d’acide de sucres. C’est un polymère branché avec différents types de sucres qui, contrairement à la cellulose, ne contient pas que des glucoses anhydres. Le polymère est de type amorphe et son poids est bien inférieur à celui de la cellulose. L’hémicellulose est hydrophile et est attachée à la surface de cellulose via des liaisons hydrogènes. Elle a aussi des liaisons fortes avec la lignine. L’hémicellulose est responsable de la biodégradation, de l’absorption d’humidité, et de la dégradation thermique de la fibre.
La lignine est un des principaux composants de la fibre, avec la cellulose et l’hémicellulose. Ses principales fonctions sont d’apporter de la rigidité et une dureté à la cellule, une imperméabilité à l’eau et une grande résistance à la décomposition. Quantitativement, la teneur en lignine est de 5 % à 30 % selon les espèces. La lignine est principalement localisée entre les cellules. La lignine est un réseau tridimensionnel hydrophobe complexe, aromatique cristalline et essentiellement composé d’unités de phénylpropane. De plus, la lignine est thermiquement stable mais se dégrade sous les rayons UV.
Les pectines sont des polymères de polysaccharides acides. Les pectines sont composées d’une chaîne principale d’acide uronique ou polygalacturon. Elles maintiennent ensemble les cellules des tissus végétaux. Les pectines jouent un rôle structural dépendant des conditions ioniques du milieu (rapport H+ /Ca2+). Les chaînes formées sont reliées entre elles pour constituer un réseau ou gel. Cet ensemble permet d’emmagasiner une grande quantité d’eau.
Pour résumer, la cellulose joue le rôle de renfort, c’est le principal constituant et contribue aux propriétés de la fibre. L’hémicellulose, la lignine et la pectine jouent quant à elles le rôle de liant, de matrice. L’hémicellulose est hydrophile et est responsable de la biodégradation, de l’absorption d’humidité et de la dégradation thermique de la fibre tandis que la lignine est imperméable à l’eau, offre la dureté et la rigidité à la cellule, a une grande résistance à la décomposition, est thermiquement stable mais se dégrade sous irradiation UV. (Baley, Morvan et Grohens, 2005; Bogoeva-Gaceva et al., 2007; Hoo Thi, 2008; Magniont, 2010; Morvan et al., 2003; Sedan, 2007).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 INFUENCE DE LA TEMPÉRATURE DE COUPE SUR LA
RÉSISTANCE EN TRACTION UNIAXIALE D’UN COMPOSITE
CARBON/ÉPOXY
1.1 Revue de la littérature
1.1.1 Les matériaux composites
1.1.2 Usinage des composites
1.1.3 Comportement mécanique des stratifiés
1.1.3.1 Intégrité de surface
1.1.3.2 Température de coupe
1.1.4 Influence des défauts produits par l’usinage sur les performances
mécaniques du stratifié
1.1.5 Résumé
1.2 Méthodologie expérimentale
1.2.1 Objectifs
1.2.2 Usinage des échantillons
1.2.3 Matériel expérimental
1.2.3.1 Matériau
1.2.3.2 Outil
1.2.3.3 Mesure de l’usure d’outil
1.2.4 Analyse du fini de surface
1.2.4.1 Contrôle à la loupe
1.2.4.2 Mesure de rugosité
1.2.5 Essais mécaniques
1.3 Résultats et analyse
1.3.1 Usinage des échantillons
1.3.2 Analyse de la surface
1.3.3 Rugosité
1.3.4 Résistance à la rupture en traction uni-axiale
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTUDE DE L’USINABILITÉ DU COMPOSITE LIN/ÉPOXY
2.1 Revue de la littérature
2.1.1 Classification et composition des fibres naturelles
2.1.2 Propriétés mécaniques
2.1.3 Influence de l’humidité et de la température sur les performances
mécaniques du stratifié
2.1.4 Usinage des composites à fibres naturelles
2.1.5 Résumé
2.2 Fabrication des stratifiés
2.3 Essais préliminaires
2.3.1 Découpe à la scie abrasive et fraisage à l’aide d’une fraise abrasive
2.3.2 Fraisage à l’aide d’une fraise 4 dents HSS
2.3.3 Fraisage à l’aide d’une fraise à détourer 6 dents revêtue diamant par
CVD
2.3.3.1 Objectifs
2.3.3.2 Montage et protocole de découpe
2.3.3.3 Analyse des résultats
2.3.3.4 Usinage par la méthode du « Sandwich »
2.3.3.5 Conclusion concernant le détourage avec une fraise 6 dents
revêtu diamant
2.3.4 Fraisage à l’aide d’une fraise à détourer 2 dents PCD
2.3.5 Conclusion concernant l’ensemble des essais préliminaires
2.4 Étude de l’influence des paramètres de coupe et de l’orientation des fibres sur
le fini de surface et les efforts de coupe
2.4.1 Objectifs
2.4.2 Montage d’usinage et préparation des plaques
2.4.3 Protocole expérimental et nomenclature des échantillons
2.4.4 Plan d’expérience
2.4.5 Outils
2.4.6 Analyse de la surface usinée
2.4.7 Mesures de rugosité
2.4.8 Analyse des résultats
2.4.8.1 Détourage des échantillons
2.4.8.2 Influence des paramètres de coupe sur le fini de surface
2.4.8.3 Influence des paramètres de coupe sur la rugosité de surface
2.4.8.4 Influence des paramètres de coupe et de l’orientation des
fibres sur les efforts de coupe
2.4.9 Conclusion sur les essais de détourage
CONCLUSION
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