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Essais & Simulations n°116

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Quels moyens d’essais pour les composites ?

Dossier

Dossier Essais composites Depuis juillet 2012, l’IRT Jules Verne a d’ores et déjà lancé 35 projets de recherche pour un montant de plus de 45 M€. Parmi eux, le projet Robofin rassemble, Daher, DCNS, Europe Technologies, Loiretech, Multiplast, STX, Coriolis Composites et l’IRCCyN ; il a pour but de développer des solutions robotisées pour les opérations de parachèvement (détourage, perçage et préparation de surfaces) des pièces composites et métalliques de grandes dimensions (jusqu’à 25m). Robot mobile, sur rail ou sur roue sont des solutions potentielles qu’il va falloir développer, simuler, piloter, tester, optimiser, valider… Un démonstrateur industriel, robot sur rail, a été installé sur le site du Technocampus Composites. Les premiers essais menés par l’IRCCyN et l’IRT sont en cours depuis 6 mois environ. L’enjeu de la formation et de l’attractivité de l’industrie La diffusion de technologies avancées de production dans les filières industrielles impose des besoins de formation qui touchent l’ensemble des métiers, de l’opérateur à l’ingénieur. Ceux-ci sont renforcés dans le contexte de la reconversion et du renouvellement des effectifs, de l’enjeu de la transmission de savoirs industriels stratégiques et d’une attractivité à renouveler des métiers de l’industrie. Pour répondre à ces besoins, l’IRT Jules Verne fédère et accompagne le développement de formations via 1 : La création et l’animation d’un réseau national des formations clés sur les technologies avancées de production du bac pro au doctorat, levier en matière de visibilité, d’attractivité et de communication sur les nouveaux métiers industriels. un centre de ressources, sur son site principal de Nantes, pouvant accueillir cinq cent jeunes en alternance et accompagner des formations de pointe, originales et innovantes notamment grâce à un nouveau concept d’atelier-école au service de la pédagogie (bureau d’étude de cellules de production, outils permettant la mise en œuvre des différentes technologies, ensemble des éléments d’une chaine de production). Ce site sera également adapté à la formation continue pour adultes. Un collectif d’acteurs industriels et académiques L’IRT Jules Verne bénéficie de l’engagement durable : D’industriels leaders de leur secteur inscrits dans une convergence d’intérêt multisectorielle, propice à la fertilisation croisée et à l’innovation : Airbus, Alstom, Bureau Veritas, Constellium, Daher, DCNS, EADS, Faurecia, PSA Peugeot-Citroën, Renault Solvay, STX France, Veolia D’acteurs académiques ou de recherche, référents dans leur domaine : Arts et Metiers Paristech, Cemcat, Cetim, Clarté, CNRS, Ecole Centrale Nantes, Ecole des Mines Nantes, ICAM Nantes, IFSTTAR, INRIA, PRES L’UNAM, Université de Bretagne Sud, Université De Nantes, Université du Maine De PME membres directes ou via le GIE Albatros : elles sont au nombre de 15 à ce jour Le Pôle EMC2 et la CCI Pays de la Loire complètent le dispositif d’ancrage industriel et territorial de l’IRT Jules Verne. Par ailleurs, une articulation très forte avec les stratégies propres des filières industrielles concernées est indispensable. Des partenariats sont en cours de mise en place avec le CORAC et le CORICAN par exemple. De même que l’IRT collabore de façon étroite avec l’IRT M2P et entretien des relations régulières avec l’IRT AESE. Laboratoires Ça bouge dans les composites… L’équipe Polymères, Propriétés aux Interfaces & Composites (E2PIC) du Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux de Bretagne (LIMATB), la plus grande entité d’ingénierie des matériaux en Bretagne, décline plusieurs savoir-faire et compétences dans le domaine des composites structuraux innovants : les biocomposites, les smarts composites et les composites robotisés. Les BioComposites Depuis quelques années maintenant, le groupe BioComposites du LIMATB, accompagne le développement des matériaux composites à base de produits moins impactants sur l’environnement. Ce projet structurant d’industrialisation de thermoplastiques biosourcés à renfort en fibres de lin (1a et b), a pour ambition d’être à la fois la colonne vertébrale de la filière technique du lin en France, mais aussi le moteur d’un changement de modèle où il faut adapter la matière première et son approvisionnement aux exigences de performance des composites. Il se veut également une vitrine internationale Figure : a) Faisceau de fibres de lin observées au MEB, b) Surface d’une fibre observée par AFM des compétences technologiques françaises sur les il est possible de construire des sièges composites hautes performances dans d’avion, des huisseries de fauteuils, quatre segments de marchés : l’automobiles, l’aéronautique, le nautisme et des châssis, des coques … le bâtiment. À partir de ces matériaux, Les Smart Composites Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 52

Dossier Essais composites Le groupe Smart Plastics du LIMATB développe des senseurs nanocomposites QRS qui permettent d’implémenter des fonctions intelligentes dans les composites structuraux. Les senseurs QRS ont pour vocation d’accompagner le développent rapide des composites polymères, en particulier dans le domaine des transports, du fait de la forte demande en matériaux à rapport performance/poids élevé [1]. Les senseurs QRS peuvent permettre de lever les verrous liés au manque de prévisibilité de l’endommagement des composites polymères dans des conditions de sollicitation sévères, i.e., choc ou fatigue qui en rend l’optimisation délicate. Récemment les nanotechnologies ont apporté un nouvel élan à ce secteur d’activité en offrant la possibilité de surveiller la santé des composites structuraux en les équipant de senseurs d’élongation et de fracture pour anticiper leur destruction brutale et ainsi améliorer leur fiabilité et éventuellement leur maintenance. Néanmoins les capteurs optiques et acoustiques utilisés, sont souvent chers, parfois fragile ou sensibles aux agression environnementales et ne permettent pas toujours une intégration parfaite aux matériaux composites. C’est pourquoi l’implémentation de senseurs nanocomposites polymères conducteurs (CPC) pour suivre les déformations et l’endommagement des composites a permis l’émergence d’une nouvelle génération de matériaux dit intelligents (smart) capables de répondre à des stimulations par une simple variation de résistance, sans toutefois compromettre leurs propriétés fonctionnelles. Les transducteurs CPC tirent leur grande sensibilité de leur nanostructure percolée qui génère une conduction électronique de type tunnel lorsqu’ils sont sollicités mécaniquement. Le fait que leur résistance varie exponentiellement avec des élongations Figure : a) Création d’un réseau percolé de CNT dans la matrice ou à l’interface fibres/matrice, b) Mise en évidence de la morphologie d’un réseau percolé de CNT. interparticulaires de quelques nanomètres les a fait appeler senseurs résistifs quantiques (QRS). Actuellement différentes stratégies d’intégrations de senseurs CPC dans les composites sont en développement : a) Dans le cas ou la matrice polymère est renforcée par des fibres de verre (GFRP), tous les composants étant des isolants électriques, il est possible de structurer un réseau conducteur dans la matrice polymère par percolation de nanotubes de carbone (CNT) [2] ou dans l'ensimage des fibres [3] pour détecter l’initiation et la Figure : Image de MEB, a) Film CPC déposé à la surface d’une fibre de renfort, b) Agrandissement montrant la structure multicouches du senseur. propagation la fissures (cf. 2). b) si certains composants de la matrice sont conducteurs électriques, i.e., des fibres de carbone ou une résine nanochargée de particules de carbone ou de métal, il est préférable d’utiliser des films CPC sensibles. Leurs faibles dimensions, environ 0,5 à 1,5 µm d'épaisseur, et leur architecture hiérarchisée par vaporisation en Figure : a) Simulation du champ de déformation dans un composite à proximité d’un trou, b) Réponse des QRS à différents distances du trou. couche par couche (sLbL) permettent leur implantation à cœur ou en surface de manière homogène. En général quelques dizaines de nanocouches de CPC permettent d’obtenir un senseur de morphologie contrôlée de l’échelle nano jusqu’à l’échelle macro (cf. 3), avec une résistivité souhaitée dans la gamme de quelques kΩ.cm-1. La grande versatilité de fabrication des films CPC sensibles fait qu’ils peuvent être a été déposé directement sur un matériaux complexe comme un textile [4], ou sur une surface plus simple comme une matrice [5]. Quelque soit la stratégie utilisée pour leur fabrication, les QRS peuvent suivre les sollicitations mécaniques dans les différents domaines élastique et plastique, mais aussi les endommagement en fatigue, en statique ou consécutifs à un impact. L’exemple de la 4, montre que deux QRS implantées dans un composite sur le trajet d’une fissure provoquée par un trou (4a), voient les déformation et endommagement à des instants différents jusqu’à la rupture (4b). Les Composites Robotisés Le groupe CompositiC travaille à la réalisation d'éco-composites innovants, performants et répondant aux cahiers des charges matières-procédés des domaines des transports, des énergies nouvelles renouvelables, etc. Il s'agit de concevoir les matériaux et les procédés automatisés permettant de réaliser des matériaux légers, performants tout en répondant au normes environnementales (VHU, BPHU, etc..). Par éco-composites, on entend les composites à base de fibres végétales, de résines bio-sourcées et/ou biodégradables ainsi que des produits issus de procédés de recyclage. L'intégration de fonctions nouvelles (senseurs, capteurs) dans les matériaux composites est aussi un objectif de ce projet car cela concourt à la fiabilisation et au suivi de la ''santé'' des composites Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 53

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