Study of the bending behavior of reinforcements during the shaping process of composites

La variabilité des propriétés des matériaux composites est l’un des principaux freins à leur utilisation. Elle est principalement due à l’hétérogénéité du matériau ainsi qu’aux défauts de mise en forme. Cette étude s’inscrit dans la recherche de la maitrise des défauts liés à la phase de préformage dans les procédés de thermoformage tel que le RTM (Resin Transfer Moulding). Lors du préformage, les renforts initialement plats, prennent la forme du moule sous l’effet de la compression. Les fils utilisés pour les applications composites étant la plupart du temps choisis pour leur rigidité, la préforme doit donc se déformer afin de draper les formes non développables. Si le mode de déformation principal est le cisaillement dans le plan, le textile subit aussi des contraintes en tension bi-axiale, en compression transverse, en flexion hors plan. Dans le cas des renforts épais, on observe également du cisaillement transverse interplis. Le comportement en flexion hors plan ne peut pas être déduit des caractéristiques dans le plan et nécessite donc un essai consacré afin d’être caractérisé et de permettre une simulation correcte du procédé.

L’étude présentée ici doit permettre d’étudier de manière combinée le comportement en flexion et en cisaillement de tissus, en vue d’appréhender de manière plus précise les phénomènes qui se produisent lors de la mise en forme de tels tissus. Le test du Cantilever de Pierce [1] est l’essai le plus répandu. Ce test a pour avantage d’être simple à mettre en œuvre et son principe a été étendu pour répondre à des problématiques spécifiques. On pourrait citer notamment les tests de flexion à chaud mis en place par M. Liang [2] qui utilisent l’analyse d’image pour déterminer la courbure du tissu. Le test du Cantilever présente néanmoins des limites. En effet, la linéarité du module de flexion en fonction de la courbure de l’échantillon n’est pas abordée. Cette problématique a été étudiée [3] grâce à la modification du test de Pierce de manière à pouvoir augmenter la longueur de déport de manière incrémentale. Le module KES FB2 de la suite Kawabata permet quant à lui de mesurer la rigidité en flexion de tissus à l’aide d’un mors fixe instrumenté et d’un mors mobile faisant fléchir le tissu dans un sens puis dans l’autre.

La première partie d’une campagne d’essais, permettant d’alimenter des simulations de mise en forme et d’explorer le couplage entre différents modes de déformation, est en cours de réalisation. Le tissu étudié est un sergé 2×2 en lin comélé et guipé avec du PA12. La campagne se focalise sur le comportement de la cellule élémentaire constituée de 4 fils de chaîne et de 4 fils de trame et les résultats du comportement en flexion de celle-ci sont présentés ci-dessous (Fig. 1). Les mesures ont été effectuées sous atmosphère contrôlée (norme ISO 139 : 20°C et 65% d’humidité relative) dans le sens chaîne et présentent le moment de flexion ramené au nombre de fil en fonction de la courbure de l’échantillon grâce au module KES F2.

À partir de cet essai, il est possible de définir la rigidité de flexion en prenant la moyenne des pentes lorsque l’échantillon est contraint dans un sens puis dans l’autre (entre les crochets rouges sur la Fig. 1) et l’hystérésis en mesurant l’écart entre les phases de pliage et de dépliage dans les deux sens (lignes continues jaunes sur la Fig. 1). Ce module ayant été développé pour des tissus utilisés pour l’habillement, il a fallu adapter la taille des échantillons pour pouvoir effectuer les mesures. Une campagne d’essais préliminaires a permis de confirmer la répétabilité de la mesure et de fixer les paramètres du protocole.

En Fig. 1, les comportements entre le tissu et les fils seuls sont comparés. Ces mesures ont permis de confirmer que la présence de fils en trame a une influence sur le comportement en flexion des fils de chaîne en augmentant le module de flexion.

Dans un second temps, les tissus testés sont préalablement cisaillés afin d’étudier l’influence du cisaillement sur le comportement en flexion. D’autres structures seront testées (sergé 4×4, satin) afin de compléter les mesures de la première partie.

Références

[1]     International Organization for Standardization. (2011) Technical Committee ISO/TC 61, Plastics, Subcommittee SC 13, Composites and reinforcement fibre (ISO Standard No. 4604:2011(E)).

[2]     B. Liang, N. Hamila, M. Peillon, P. Boisse, « Analysis of thermoplastic prepreg bending stiffness during manufacturing and of its influence on wrinkling simulations », in : Composites Part A : Applied Science and Manufacturing, Vol. 67, pp. 111-122, 2014

[3]     E. de Bilbao, D. Soulat, G. Hivet, A. Gasser, « Experimental Study of Bending Behaviour of Reinforcements », Experimental Mechanics, Vol 50, pp. 333–351, 2010

[4]     M.M. Salem, E. De Luycker, K. Delbe, M. Fazzini, P. Ouagne, « Experimental investigation of vegetal and synthetic fabrics cohesion in order to prevent the tow sliding defect via frictional and pull-out test », in : Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 139, 2020

[5]     M. Tourlonias, M.-A. Bueno, G. Fassi, I. Aktas, et Y. Wielhorski, « Influence of friction angle between carbon single fibres and tows: Experimental analysis and analytical model », Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 124, 2019