Etude de la consolidation hors-autoclave (OoA) des stratifiés carbone / PAEK par le procédé sous bâche à vide (VBO) avec outillage chauffant

Abstract

In the aerospace industry, carbon/PAEK composites provide advantages compared to thermoset resin matrix ones, especially in terms of recyclability, reparability and reduced manufacturing time.Usually, after Automated Fibre Placement (AFP), the laminates are consolidated in a high-pressure and high-temperature autoclave. However, this process involves high costs (maintenance, operation, energy), especially for large parts such as aircraft fuselages. It is in this context that there is a growing interest in Out-of-Autoclave (OoA) consolidation processes. The results seem promising, but they require a better understanding of the physical phenomena involved in consolidation in order to achieve the quality standards required in the aerospace industry, especially in terms of porosity levels.This thesis, carried out in the MSMP laboratory of ENSAM Lille in collaboration with the Méaulte site of Airbus Atlantic, within a CIFRE agreement, is fully aligned with this issue. Its main aim was to analyse the impact of VBO consolidation on the characteristics of laminate, laid by AFP, with the aim of optimising the associated thermal cycle. The laminates studied were made from unidirectional carbon tapes impregnated with a thermoplastic matrix, suitable for AFP processes for structural applications.To achieve this, preliminary characterisation work was carried out on the tape and the laminates after laying, in order to provide a basis for comparison with the results obtained after consolidation. The consolidation tests were carried out using an instrumented test bench specifically developed for this work. This tool, with integrated heating, allows the main functions of the industrial process but at a laboratory scale.After defining a test matrix combining the various parameters which could influence the quality of the laminates after consolidation, a test campaign was carried out using this test bench. During each consolidation, the temperatures and thickness variations of each specimen were recorded over time. The material results were then analysed using various methods (optical microscopy, density measurement, ultrasonic inspection, etc.). This highlighted the influence of the number of layers and the temperature on the porosity rate after compaction, showing that the latter, above a given temperature, is significantly reduced while remaining below the maximum acceptable porosity level.Based on all the collected data, a model has been suggested, particularly aimed at predicting the porosity level after consolidation. Coupled with the thermal modelling of the test bench, this constitutes a first step towards a better understanding of the behaviour of the laminate during VBO consolidation.This work opens up control strategies for this process, allowing for the optimisation of thermal cycles while ensuring the final quality of composite parts, without having to use an autoclave. They also provide a sound basis for future investigations on the consolidation of laminates laid by AFP, which could use more comprehensive multiphysics models incorporating, for example, crystallisation kinetics.Dans l’industrie aéronautique, les composites carbone PAEK offrent de réels avantages par rapport à ceux à matrice thermodurcissable, principalement en termes de recyclabilité, de réparabilité et de réduction du temps de fabrication.Traditionnellement, après drapage par placement de fibre automatisé (AFP), les stratifiés sont consolidés en autoclave à haute température et sous pression. Cependant, ce procédé implique des coûts élevés (maintenance, exploitation, énergie), en particulier pour les pièces de grande dimension telles que les fuselages d’avion. C’est donc dans ce contexte que les procédés de consolidation hors autoclave (OoA), et plus précisément ceux sous bâche à vide, dits VBO (Vacuum Bag Only), suscitent un intérêt croissant. Bien que prometteurs, ils nécessitent néanmoins une meilleure compréhension des phénomènes physiques liés à la consolidation afin d’atteindre les standards de qualité requis dans l’industrie aéronautique, notamment en termes de taux de porosité.Cette thèse, conduite au sein du laboratoire MSMP de l’ENSAM de Lille en collaboration avec le site de Méaulte d’Airbus Atlantic, dans le cadre d’une convention CIFRE, s’inscrit pleinement dans cette problématique. Elle avait principalement pour objectif d’analyser l’impact de la consolidation VBO sur les caractéristiques des stratifiés drapés par AFP, dans le but d’optimiser le cycle thermique associé. Les stratifiés étudiés ont été fabriqués à partir de rubans unidirectionnels carbone imprégnés d’une matrice thermoplastique LMPAEK, adaptés aux procédés de placement automatisé (AFP) concernant les applications structurelles.Pour cela, un travail préliminaire de caractérisation a été effectué sur le ruban et les stratifiés en sortie de drapage afin de disposer d’une base de comparaison avec les résultats obtenus après consolidation. Les essais de consolidation ont été menés à l’aide d’un banc instrumenté développé spécifiquement dans le cadre de ce travail et qui a permis, à l’échelle du laboratoire, de reproduire les principales fonctionnalités du procédé industriel qui utilise un outillage avec chauffage intégré.Après avoir défini une matrice d’essais regroupant les différents paramètres susceptibles d’influer sur la qualité des stratifiés après consolidation, une campagne d’essais a été menée à l’aide de ce banc. Au cours de chaque consolidation, les températures ainsi que les variations d’épaisseur de chaque éprouvette ont été enregistrées au cours du temps. Puis les résultats sur le matériau ont été analysés à l’aide de différentes méthodes (microscopie optique, mesure de densité, contrôle par ultrasons, etc.). Cela a permis de mettre en évidence l’influence du nombre de couches et de la température de palier sur le taux de porosité après compactage, en montrant que ce dernier, au-delà d’une température de palier donnée, est réduit de façon significative tout en étant inférieur au niveau de porosité maximal acceptable.A partir de l’ensemble des données collectées, une modélisation, visant notamment à prédire le taux de porosité après consolidation, a été proposée. Couplée à une modélisation thermique du banc d’essais, elle constitue une première étape vers une meilleure compréhension du comportement du stratifié lors de sa consolidation VBO.Ces travaux ouvrent donc la voie à des stratégies de pilotage plus fines de ce procédé, permettant d’optimiser les cycles thermiques tout en garantissant la qualité finale des pièces composites, sans avoir recours à l’autoclave. Ils constituent également une base solide pour de futures investigations sur la consolidation des stratifiés drapés par AFP qui pourraient utiliser des modèles multi-physiques plus complets intégrant par exemple la cinétique de cristallisation