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Essais & Simulations n°116

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Quels moyens d’essais pour les composites ?

Dossier

Dossier Essais composites (health monitoring). Autour de la technologie robotisée de placement de fibres, l’objectif de ce plateau technique est d’accueillir et d’initier, en partenariat avec les principaux acteurs industriels de diverses filières (automobile, nautisme, EMR …), des programmes de R&D sur la conception, la qualification de pièces éco-composites de formes complexes et l’industrialisation de leur fabrication. Ces secteurs industriels sont demandeurs Il s’agit d’intégrer une technologie robotisée, non industrialisée à ce jour, pour la production de pièces composites à haute performance et permettant : • de développer des solutions économiques et écologiques pour gagner de manière significative en productivité et fiabilité par rapport aux process manuels, • de faire évoluer les systèmes de placement de fibres montés sur robots pour la production de pièces écoconçues et « intelligentes » (orientation des fibres, intégration des senseurs, etc…), • de développer les capacités de drapage pour des pièces de géométrie complexe et de taille réduite, • d'optimiser et développer les matériaux (semi-produits bio-sourcés et/ ou multifonctionnels) utilisés pour les technologies de production robotisées. • Les défis à relever par les composites de demain sont d’alléger les structures, réduire les temps de cycle et les coûts de fabrication pour aller vers la production de masse de produits composites, de produire des pièces et des structures en matériaux éco-composites sans défauts, de développer une nouvelle génération de méthodes de pilotage de systèmes robotisés par le recours à des outils de simulations numériques ultra-rapides, d’intégrer la formulation-physico-chimique de nouveaux produits respectueux de l’environnement et de développer une filière globale sur le recyclage et la valorisation des déchets des matériaux composites et développer des outils d’éco-conception et d’éco-production. Différents procédés robotisés sont utilisés : • Technologies de placement de fibres robotisées (5) développé par Coriolis et TPT chez Multiplast) pour les résines thermoplastiques (PA, PEEK, etc..) et thermodurcissables (époxy, poudrées : semi sèches), • Couplage avec technologies de plasturgie (Injection, thermoformage, infusion, RTM..) ; • Couplage avec d’autres technologies additives (impression 3D). Procédé de placement de fibres robotisé Références Réalisation de semi-produits transformables par voie robotisée • Réalisation des semi-produits à façon (imprégnation de tapes) en thermoplastiques (6) • Formulation de bio-composites (fibres et matrices biosourcées) pour réalisation de tapes ; • Formulation de matrices fonctionnelles (tapes conducteurs pour chauffage et sensing). Différents types de test sont ensuite réalisés sur les semi-produits et produits finaux : • Taux de porosité, analyse US, Tomographie X, • Tests mécaniques (traction, compression, pelage, fatigue) cf. 7, • Tests vieillissement (UV, Humidité, Température). Test de traction en atmosphère contrôlée Jean-François Feller et Yves Grohens Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux de Bretagne (LIMATB), Université de Bretagne Sud, Centre de Recherche Christiaan Huygens, Rue de Saint-Maudé, Lorient, France 1. A. F. Johnson, Modelling fabric reinforced composites under impact loads, Composites A, 32 (2001) 1197-1206. 2. L. Gao, E. T. Thostenson, Z. Zhang, T. W. Chou, Sensing of damage mechanisms in fiber-reinforced composites under cyclic loading using carbon nanotubes, Advanced Functional Materials, 19 (2009) 123–130. 3. L. Gao, T. W. Chou, E. T. Thostenson, Z. Zhang, A comparative study of damage sensing in fiber composites using uniformly and non-uniformly dispersed carbon nanotubes, Carbon, 48 (2010) 3788–3794. 4. C. Robert, J. F. Feller, M. Castro, Sensing skin for strain monitoring made of PC-CNT conductive polymer nanocomposite sprayed layer by layer, ACS Applied Matererials & Interfaces, 4 (2012) 7, 3508–3516. 5. Z. Levin, C. Robert, J. F. Feller, M. Castro, J. C. Grunlan, Flexible latex-polyaniline segregated network composite coating capable of measuring large strain on époxy, Smart Materials & Structures, 2013, 22, 015008, 1-9. Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 54

Dossier Essais composites Recherche & développement Recherches en matériaux composites intelligents à l’ifsttar - exemples de projets phares Les applications des matériaux composites à matrices polymères ont été jusqu’à un passé proche le lot, de l’aviation civile en raison techniquement, du risque de délaminage ; ainsi que des coûts prohibitifs des fibres de renforcement et des procédés de mise en œuvre en comparaison aux alliages légers comme l’aluminium. Ces verrous ont été levés au fur et à mesure et ainsi des programmes ambitieux ont vu le jour. Dans cet ordre d’idée, le programme Advanced Composite Technology mené par la NASA aux Etats-Unis a permis de développer des ailes d’avions Boeing en composites inférieures de 20% en coût, comparativement aux matériaux classiques. La décision d’Airbus d’équiper les fuseaux des A380 va aussi dans le même sens. Dans le domaine aéronautique, en particulier, toute structure nouvelle, dotée d’une fonctionnalité efficace qui écourtent ou suppriment les temps d’examen CND, serait considérée comme un plus. Dans le domaine de l’automobile, les équipementiers Français leaders du domaine, en l’occurrence INOPLAST et MATRA Automobile devraient profiter des projets Européens qui souhaiteraient rattraper le retard d’utilisation des matériaux composites dans l’industrie automobile (113kg pour les Etats-Unis contre 30kg en France). Dans les industries aéronautiques militaires, les matériaux composites sont de plus en plus prisés. L’avion furtif Américain et les hélicoptères de combat en sont les principales utilisations. Pour de tels appareils, la fonctionnalité des structures afin de signaler un endommagement et prévenir une rupture serait un plus considérable. Enfin, l’industrie ferroviaire s’ouvre aux applications composites et c’est donc des matériaux qui seront de plus en plus attractifs à l’avenir (résistance à la corrosion, réduction de l’usure des voies, maintenance moindre, etc.). Ces matériaux autorisent des libertés de conception pour des pièces d’habillage aux formes complexes 3D (nez du TGV, face avant du métro, tablettes, sièges). La tendance devrait s’accentuer afin de gagner en coût d’exploitation et en vitesse et ainsi, soutenir la compétition avec le SHIKANSEN Japonais. Là encore, une fonctionnalité, par exemple, qui autoriserait le diagnostic de l’endommagement naissant dans les structures ou bien la prévention contre l’inflammation de ces structures serait très appréciée. Il est donc crucial que des projets de R&D innovants, intégrant aussi bien les aspects structuraux des matériaux composites que ceux liés à des fonctionnalités spécifiques puissent être mis en œuvre et leurs avancées technologiques concrétisées à l’échelle nationale, Européenne et internationale. Afin d’aller dans cette direction, le projet DECID2 (Projet national du type FUI, 2008 – 2012), né en Pays de la Loire a été proposé, afin de servir de premier jalon, qui catalyserait la mise en place de projets similaires dans d’autres industries, où le besoin en structures intelligentes existe aussi. Son but est de remplacer les aciers par les composites et d’irriguer ces composites par des capteurs afin d’obtenir un contrôle structural continu, en temps réel et à distance En substance, et en regard à ce qui précède, une problématique à trois niveaux apparaît quant au développement futur des matériaux de structures pour les industries mécaniques. Les aciers étant intrinsèquement sensibles à la corrosion, ne serait-il pas pertinent de réfléchir au développement complémentaire, de structures fabriquées à partir de matériaux pas du tout ou peu sensibles à la corrosion ? Si oui, quels sont les matériaux à développer ? Pour quelles utilisations ? Sous quelles formes et avec quelles garanties ? La mise en place de méthodes d’auscultation des structures métalliques apparentes et/ou enfouies présentant des garanties suffisantes d’identification des mécanismes d’endommagements et de ruptures. La mise en œuvre de moyens de surveillance en continu de ces mêmes structures métalliques qui soient convaincantes pour les maîtres d’ouvrages et c’est dans le but de trouver des réponses à ces questions que le Projet DECID2 a été monté. Dans le Projet DECID2, 2 démonstrateurs de 20m x 3,5m, en matériaux composites intelligents dotés de capteurs en fibres optiques et patchs ultrasoniques ont été installés sur les sites du Technocampus EMC2 et d’IFST- TAR Centre de Nantes (Figure 1). Ce projet a été monté par l’IFSTTAR avec l’aide des partenaires ETPO, DFC-Groupe ICCO, IDIL, IXFIBER, CETIM, GeM-Université de Nantes, Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 55

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