Étude numérique et expérimentale de procédé d’élaboration des matériaux composites par infusion de résine, Numerical and experimental study in the resin infusion manufacturing process of composites materials

oN d’ordre : 2010 EMSE 0568



THÈSE
présentée par

Peng WANG

pour obtenir le grade de
Docteur de l’École Nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne

Spécialité : Mécanique et Ingénierie





Étude numérique et expérimentale de procédé
d’élaboration des matériaux composites par infusion de
résine



Soutenu à Saint Etienne, le 23 mars 2010


Membres du jury

Président : Jean-Michel BERGHEAU Professeur à l’ENISE
Rapporteurs : Christian GEINDREAU Professeur à l’Université Joseph Fourier
Patrice HAMELIN Professeur à l’Université Lyon 1
Directeur de thèse : Alain VAUTRIN Professeur à l’ENSM-SE
Co-directeurs de thèse : Sylvain DRAPIER Professeur à l’ENSM-SE
Jérôme MOLIMARD Maître-Assistant (HDR) à l’ENSM-SE
Invités éventuels : Patrick DE LUCA ESI Group
Jean-Christophe MINNI Hexcel Reinforcements – Les Avenières


















for my family.



































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Remerciements


Les travaux présentés dans cette thèse on été effectué au sein du département
Mécanique et Procédés d’Elaboration (MPE) de l’Ecole Nationale Supérieure des
Mines de Saint-Etienne, sous la direction de Professeur Alain Vautrin, en codirection
avec Professeur Sylvain Drapier et Maître assistant Jérôme Molimard.

Tout d’abord, mes premiers remerciements s’adressent à Monsieur Alain Vautrin. Il
m’a accueilli au sein de son équipe et a dirigé ce travail. Ses compétences scientifiques
et ses conseils m’ont permis de réaliser au mieux ces travaux de recherche.

Je remercie Monsieur Sylvain Drapier, qui a encadré mes travaux de recherche
notamment pour la partie numérique. Ses compétences m’a permis d’améliorer mes
connaissances en simulation numérique.

Je remercie également Monsieur Jérôme Molimard pour son assistance et son aide
notamment au cours du travail expérimental. Ses compétences m’ont permis de
développer et de réaliser mes protocoles expérimentaux.

Je remercie Monsieur Jean-Michel Bergheau, Professeur à ENI – Saint-Étienne, pour
m’avoir fait l’honneur d’accepter la présidence du jury de cette thèse. Je remercie
sincèrement Messieurs Christian GEINDREAU et Patrice HAMELIN, d’avoir accepté
de juger ce travail et d’en être rapporteurs.

Je tiens à remercier tout particulièrement Monsieur Eric Garrigou, technicien de
notre laboratoire, merci pour ses aides et ses encouragements dans chaque expérimental
au cours de ces trois années.

Je remercie vivement à tout le personnel de notre coopération industriel « HEXCEL
corporation SAS », grand merci pour votre aide et votre soutien. Je remercie Monsieur
Patrick Henrat, directeur de la R&D, pour son accueil et sa disponibilité. Je remercie
Monsieur Jean-Christophe Minni, responsable du laboratoire, pour sa disponibilité, son
accueil des essais expérimentaux et son aide précieuse au cours des essais. Un grand
merci à Monsieur Thomas Zimmer, technicien du laboratoire, pour sa gentillesse et
pour avoir consacré de son temps pour m’aider à réaliser touts mes essais du procédé
par infusion de résine.

Je tiens à remercier à Messieurs Olivier Breui et Thierry Louvancourt pour avoir
résoulu mes problèmes informatiques. Je remercie Monsieur Joël Monatte pour sa
disponibilité et son aide à l’essai mécanique. Je remercie également à Madame
Bernadette Degache pour sa gentillesse, son accueil et les services rendus.

Je tiens à remercier à Marc, Gillaume, Julien, Vincent pour son aide des corrections
des français sur mon rapport de la thèse.

Je n’oublie jamais d’adresser mes remerciements à tous mes collègues de laboratoire,
iv Woo-Suck, Pierre, Benoit, Mustafa, Pierre-Jacques, Laura, Gustavo, Christian, Romain,
Nicolas, Olga, Quynh, Daniel, Yeanhee. Je leur souhaite une bonne continuation dans
leurs travaux de recherche, leur vie professionnelle et personnelle.

Enfin, merci à mes familles pour leur soutien !

































iv









Life is like riding a bicycle. To keep your balance you must keep
moving.
Try not to become a man of success, but rather try to become
a man of value.

------ Albert Einstein



























v vi


Résumé


En aéronautique, l’élaboration via des pré-imprégnés n’est pas toujours adaptées à
la fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Des
procédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que le
Resin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d’infusion de résine, comme le Liquid
Resin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10%
des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM,
les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindre
des pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèles
mécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Par
contre, les procédés d’infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles,
par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Par
conséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites et
moyennes entreprises car les investissements sont plus faibles par rapport à d’autres
procédés de fabrication.
Les procédés par infusion de résine LRI ou RFI sont basés sur l’écoulement d’une
résine liquide (pour RFI, après le cycle de température, la résine solide obtenir son état
liquide) à travers l’épaisseur d’un renfort fibreux sec dénommé préforme.
L’optimisation du procédé est difficile à réaliser car le volume de la préforme change
fortement pendant le procédé car elle est soumise à une pression extérieure et qu’il n’y
a pas de contre-moule. Pour optimiser les paramètres de fabrication des matériaux
composites par infusion de résine, il est nécessaire de mettre en œuvre un modèle
numérique. Récemment, une modélisation de l'écoulement d’un fluide isotherme dans
un milieu poreux compressible a été développée par P. Celle [1]. Avec ce modèle
numérique, nous avons simulé des cas test en 2D pour des géométries industrielles
classiques. Pour valider ce modèle numérique, des essais d’infusion d’une plaque par le
procédé LRI dans des conditions industrielles ont été réalisés. D’une part, la simulation
numérique permet de calculer le temps de remplissage, l’épaisseur de la préforme et la
masse de la résine durant l’infusion. D’autre part, nous avons suivi de procédé
expérimentalement par des micro-thermocouples, la fibre optique et la projection de
franges. Un des points clefs de l’approche expérimentale est que l’écoulement de la
résine et le comportement de la préforme dépendent intrinsèquement de paramètres qui
évoluent pendant l’infusion de la