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Résumé de thèse de André Chateau AKUE ASSEKO

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Modélisation et simulation des procédés de mise en forme des composites de type sandwich

 

André Chateau AKUE ASSEKO - 10/09/14

Les matériaux composites suscitent un intérêt fort dans le domaine des transports aérien, ferroviaire ou terrestre. Ces matériaux sont en effet, une bonne alternative aux métaux. Depuis quelques décennies, leur développement était focalisé sur les composites à matrice thermodurcissable (MTD). Plus récemment, l'utilisation de matrices thermoplastiques (MTP) ouvre de nouveaux horizons à la production et à l'utilisation des composites dans l'industrie des transports. En effet, l'utilisation des matrices thermoplastiques autorise la mise en forme de produits semi-finis de façon plus simple. La mise en forme des composites MTP reprend des techniques déjà utilisées pour la mise en forme des pièces thermoplastiques « simples » comme le thermoformage ou le soudage. Cette thèse a proposé l'étude du procédé de soudage laser des composites à matrice thermoplastiques unidirectionnelles. La technique du soudage laser présente des avantages spécifiques pour des applications industrielles par rapport à d’autres technologies conventionnelles : méthode sans contact, précise et flexible. C’est un procédé facile à automatiser et à contrôler, un soudage rapide (quelques secondes), et une absence de vibration durant le procédé de soudage.
Le procédé de soudage laser implique deux pièces composites. Une pièce semi-transparente à la longueur d’onde du laser et l’autre absorbante à la même longueur d’onde. La puissance du faisceau laser est transmise à travers le matériau semi-transparent et est absorbée à l’interface des deux matériaux. Le contact entre les pièces provoque le chauffage à l’interface (un transfert de chaleur par conduction a lieu entre les deux matériaux). Ainsi, la fusion des deux matériaux se produit (la liaison entre les deux parties se produit lorsque T>Tfusion dans ce domaine pour les polymères semi-cristallins et T>Tg pour les polymères amorphes). Cependant durant le procédé quelques difficultés apparaissent : les matériaux sont hétérogènes et anisotropes, cela entraine la divergence du trajet optique du faisceau laser à chaque interface fibre-matrice (phénomène de réfraction) causée par la multiplication des interfaces fibres matrice dans le matériau. Ce qui a en effet une influence sur la distribution de puissance à l'interface de soudure. La puissance de soudage du laser est réduite par cet effet de réfraction. L’obtention d’un joint de soudure de bonne qualité est conditionnée par une bonne compréhension du comportement du matériau sous l’irradiation laser, basée sur une identification, une modélisation des phénomènes optiques et thermiques impliqués.

Afin de modéliser thermiquement de façon correcte le procédé, des mesures expérimentales ont été réalisées dans un premier temps pour déterminer les propriétés optiques et thermiques des matériaux de l’étude. Dans un second temps, la modélisation et la simulation de l’irradiation du faisceau laser ont été étudiées dans les composites. Un modèle analytique basé sur une modélisation optique et thermique a été développé et comparé à la méthode numérique du lancer de rayons. Le lancer de rayons a été utilisé afin de calculer la propagation du faisceau laser dans le composite thermoplastique semi-transparent. L’objectif final du modèle analytique de diffusion était de décrire l’atténuation du faisceau laser dans le composite semi-transparent lors du procédé de soudage laser, l’estimation de la puissance radiative à arrivant l’interface de soudage des matériaux à souder, de permettre une réduction considérable du temps de calcul par rapport au lancer de rayons. Le terme source radiatif calculé a été ensuite importé dans le logiciel commercial COMSOL® afin d’effectuer un calcul thermique complet du modèle analytique. L’évolution du champ de température entre les deux matériaux a été déterminée. Enfin des essais expérimentaux du procédé de soudage laser et du procédé de soudage par lampe focalisée des matériaux de l’étude ont été réalisés afin de valider les résultats de la simulation numérique du soudage avec le modèle analytique de diffusion développé.