Caractérisation expérimentale en traction/compression/torsion d'un matériau biosourcé type PHA

National audienceDe nouveaux matériaux polymères biosourcés et biodégradables ont fait leur apparition depuis une dizaine d'années. Ces nouveaux matériaux sont une réponse intéressante aux problèmes de ressource et de recyclage-posés par les polymères classiques provenant de la pétrochimie. Ils présentent le double avantage d'être issus de la biomasse, mais également d'être compostables, c'est-à-dire qu'il ne génère aucun toxique en se dégradant, sous certaines conditions spécifiques d'humidité et de température. Nous nous intéressons dans ce travail à une classe particulière de ces nouveaux matériaux biopolymères produits par des micro-organismes : les PolyHydroxyAlkanoates (ou PHA). Les PHA sont des polymères biosourcés, produits par une grande variété de bactéries (Ralstonia, Pseudomonas,…) en tant que réserve énergétique intracellulaire. Ces matériaux présentent malgré tout un défaut important : leur élaboration reste encore souvent difficile à contrôler conduisant à un coût de production souvent prohibitif et limitant leur dissémination dans des secteurs plus conventionnels comme par exemple celui de l'emballage. Pour que ces matériaux aient une diffusion plus importante dans ce secteur, il s'avère nécessaire d'optimiser la forme et la tenue mécanique de ces produits d'emballage. Cela nécessite une bien meilleure connaissance de leur comportement mécanique encore peu connue pour l'instant. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif de caractériser expérimentalement puis numériquement le comportement de nuances de PHA [1]. Le but est ensuite d'aboutir à un outil numérique de calcul, capable de dimensionner et simuler le comportement thermo-mécanique de pièces d'emballages en PHA telles que ceux produits par la société EUROPLASTIQUES, partenaire industriel de ce projet. Parallèlement à ce matériau biosourcé, nous étudions également un polymère plus classique, le polypropylène, avec deux objectifs. Tout d'abord l'idée est de valider la méthodologie d'essai, compte tenu du fait que l'on dispose déjà d'une identification partielle d'une nuance de polypropylène, le PPC7712 [2]. D'autre part, ce polypropylène étant également utilisé en emballage, il permettra des comparaisons finales sur les comportements de structures. Pour la caractérisation mécanique de ces matériaux, un dispositif original a été conçu permettant la réalisation d'essais de cycles multiaxiaux simultanés comprenant des phases de traction, torsion et de compression. Ce dispositif comprend une cellule de force à six axes et d'un montage spécifique pour le serrage et le maintien d'une éprouvette cylindrique (Figure 1). Cette éprouvette est obtenue par injection, elle se compose d'une partie cylindrique et de deux têtes hexagonales (Figure 2). Contrairement, aux essais classiques, où les éprouvettes sont maintenues et entraînées par serrage, l'éprouvette est ici liée par obstacle dans les deux sens des trois directions, sans serrage afin d'éviter, autant que possible, l'apparition de contraintes mécaniques initiales. Un système de mors comprenant des plateaux, des vis et des empreintes hexagonales permettent le blocage total de l'éprouvette, quel que soit l'essai envisagé. Le dispositif prend aussi en compte la dispersion prévisible des dimensions des têtes d'éprouvette par l'intermédiaire de lamelles flexibles entre l'accouplement au vérin et le blocage des têtes. Les déformations sont mesurées directement sur l'échantillon grâce à un dispositif de corrélation d'images en 3D (Aramis 4M, GOM), permettant également de vérifier l'homogénéité de la cinématique. Figure 2: Éprouvette de chargement multiaxial Figure 1: Dispositif d'essais multiaxiaux Ce montage original autorise des cycles de sollicitations successives ou combinées de traction, compression et de torsion (Figure 3), à partir d'une seule géométrie d'éprouvette. Dans la littérature, les essais de traction et de cisaillement sont réalisés habituellement avec des éprouvettes de géométrie spécifique à chaque essai. Dans ce cas, il est difficile d'être sûr d'étudier la même structure de matériau, celle-ci étant fortement dépendante du type d'élaboration et des cinétiques de refroidissement, elles-mêmes directement liées aux dimensions géométriques. Le dispositif expérimental développé ici permet d'effectuer des chemins complexes avec changements de direction et de cycles au cours d'un même essai et sur la même éprouvette, autorisant ainsi l'exploration de tout le plan déviatoire de déformation avec prise en compte de l'histoire du chargement. Pour la simulation du comportement de structures, nous utilisons un modèle de comportement 3D d'Hyper-Visco-Hystérésis (HVH) [2], implanté dans le code de calcul Herezh++ [3]. Il tient sa singularité au fait que le comportement du matériau est décomposé en une contribution additive. Tout en incluant un potentiel hyperélastique, cette loi permet de décrire le phénomène d'hystérésis non-visqueux ainsi qu'une dépendance au temps du matériau. Le protocole d'identification, permettant l'obtention des paramètres utiles à ce modèle, est simple et rapide car il ne nécessite qu'un unique type d'essais de traction/compression relaxation [4]

Comportement et modélisation mécanique multiaxiale d'un PHA

Dans cette étude, un dispositif expérimental a été utilisé pour la caractérisation mécanique multiaxiale d'un PolyHydroxyAlcanoate (PHA), polymère biodégradable et biosourcé. Cette caractérisation a été effectué à l'aide d'une géométrie d'éprouvette tubulaire permettant l'exécution de cycles de sollicitations successives et/ou simultanées de traction-compression-torsion. La base de données expérimentale ainsi obtenue a permis l'identification des paramètres d'un modèle de comportement d'Hyperélasto-Visco-Hystérésis (HVH). Enfin, la tenue mécanique en statique a été étudiée pour des structures en PHA dédiées à l'emballage alimentaire

A new multiaxial loading test for investigating the mechanical behaviour of polymers

International audienceIn order to investigate polymer mechanical behaviour more closely and define corresponding numerical behaviour models, a new experimental setup was developed for performing multiaxial loading tests. Some of the loading possibilities are presented here for the case of a copolymer polypropylene (PPC7712). A single moulded sample of this material was mounted on this original apparatus, which was specially designed for studying complex trajectories, including proportional and non-proportional cycles, in which the axial and shear deformation can be simultaneously and independently controlled. Tension/compression/torsion tests were performed on the polypropylene material , spanning all four quadrants of the axial/torsional strain subspace. Under the conditions tested, the effect of strain history on the stress-strain response is hardly observed for this material. The qualitatively different behaviour observed depending on the strain path might be attributable to the asymmetry between the axial/torsional and tension/ compression loads

Caractérisation multiaxiale d'un PolyHydroxyAlcanoate et simulation avec un modèle de comportement HVH

National audienceL'étude porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques d'un grade de PolyHydroxyAlcanoate (PHA) sous chargements multi-axiaux. Un montage expérimental original a été développé permettant la réalisation d'essais en température avec une unique éprouvette en forme de tube cylindrique, pouvant être sollicitée successivement et/ou simultanément en traction-compression-torsion. L'objectif est de pouvoir effectuer des chemins complexes permettant d'explorer tout le plan déviatoire de déformation. De nombreux essais ont été effectués permettant l'identification des paramètres matériaux d'un modèle de comportement de type Hyperélasto-Visco-Hystérétique. La méthodologie d'identification des paramètres matériaux est suffisamment simple pour être étendue à une large variété de polymères. Cette loi a pour but d'être utilisée pour vérifier la tenue mécanique en statique et en dynamique de structures dans le domaine de l'emballage alimentaire en PHA

Caractérisation expérimentale en traction/compression/torsion d'un matériau biosourcé type PHA

National audienceDe nouveaux matériaux polymères biosourcés et biodégradables ont fait leur apparition depuis une dizaine d'années. Ces nouveaux matériaux sont une réponse intéressante aux problèmes de ressource et de recyclage-posés par les polymères classiques provenant de la pétrochimie. Ils présentent le double avantage d'être issus de la biomasse, mais également d'être compostables, c'est-à-dire qu'il ne génère aucun toxique en se dégradant, sous certaines conditions spécifiques d'humidité et de température. Nous nous intéressons dans ce travail à une classe particulière de ces nouveaux matériaux biopolymères produits par des micro-organismes : les PolyHydroxyAlkanoates (ou PHA). Les PHA sont des polymères biosourcés, produits par une grande variété de bactéries (Ralstonia, Pseudomonas,…) en tant que réserve énergétique intracellulaire. Ces matériaux présentent malgré tout un défaut important : leur élaboration reste encore souvent difficile à contrôler conduisant à un coût de production souvent prohibitif et limitant leur dissémination dans des secteurs plus conventionnels comme par exemple celui de l'emballage. Pour que ces matériaux aient une diffusion plus importante dans ce secteur, il s'avère nécessaire d'optimiser la forme et la tenue mécanique de ces produits d'emballage. Cela nécessite une bien meilleure connaissance de leur comportement mécanique encore peu connue pour l'instant. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif de caractériser expérimentalement puis numériquement le comportement de nuances de PHA [1]. Le but est ensuite d'aboutir à un outil numérique de calcul, capable de dimensionner et simuler le comportement thermo-mécanique de pièces d'emballages en PHA telles que ceux produits par la société EUROPLASTIQUES, partenaire industriel de ce projet. Parallèlement à ce matériau biosourcé, nous étudions également un polymère plus classique, le polypropylène, avec deux objectifs. Tout d'abord l'idée est de valider la méthodologie d'essai, compte tenu du fait que l'on dispose déjà d'une identification partielle d'une nuance de polypropylène, le PPC7712 [2]. D'autre part, ce polypropylène étant également utilisé en emballage, il permettra des comparaisons finales sur les comportements de structures. Pour la caractérisation mécanique de ces matériaux, un dispositif original a été conçu permettant la réalisation d'essais de cycles multiaxiaux simultanés comprenant des phases de traction, torsion et de compression. Ce dispositif comprend une cellule de force à six axes et d'un montage spécifique pour le serrage et le maintien d'une éprouvette cylindrique (Figure 1). Cette éprouvette est obtenue par injection, elle se compose d'une partie cylindrique et de deux têtes hexagonales (Figure 2). Contrairement, aux essais classiques, où les éprouvettes sont maintenues et entraînées par serrage, l'éprouvette est ici liée par obstacle dans les deux sens des trois directions, sans serrage afin d'éviter, autant que possible, l'apparition de contraintes mécaniques initiales. Un système de mors comprenant des plateaux, des vis et des empreintes hexagonales permettent le blocage total de l'éprouvette, quel que soit l'essai envisagé. Le dispositif prend aussi en compte la dispersion prévisible des dimensions des têtes d'éprouvette par l'intermédiaire de lamelles flexibles entre l'accouplement au vérin et le blocage des têtes. Les déformations sont mesurées directement sur l'échantillon grâce à un dispositif de corrélation d'images en 3D (Aramis 4M, GOM), permettant également de vérifier l'homogénéité de la cinématique. Figure 2: Éprouvette de chargement multiaxial Figure 1: Dispositif d'essais multiaxiaux Ce montage original autorise des cycles de sollicitations successives ou combinées de traction, compression et de torsion (Figure 3), à partir d'une seule géométrie d'éprouvette. Dans la littérature, les essais de traction et de cisaillement sont réalisés habituellement avec des éprouvettes de géométrie spécifique à chaque essai. Dans ce cas, il est difficile d'être sûr d'étudier la même structure de matériau, celle-ci étant fortement dépendante du type d'élaboration et des cinétiques de refroidissement, elles-mêmes directement liées aux dimensions géométriques. Le dispositif expérimental développé ici permet d'effectuer des chemins complexes avec changements de direction et de cycles au cours d'un même essai et sur la même éprouvette, autorisant ainsi l'exploration de tout le plan déviatoire de déformation avec prise en compte de l'histoire du chargement. Pour la simulation du comportement de structures, nous utilisons un modèle de comportement 3D d'Hyper-Visco-Hystérésis (HVH) [2], implanté dans le code de calcul Herezh++ [3]. Il tient sa singularité au fait que le comportement du matériau est décomposé en une contribution additive. Tout en incluant un potentiel hyperélastique, cette loi permet de décrire le phénomène d'hystérésis non-visqueux ainsi qu'une dépendance au temps du matériau. Le protocole d'identification, permettant l'obtention des paramètres utiles à ce modèle, est simple et rapide car il ne nécessite qu'un unique type d'essais de traction/compression relaxation [4]

Utilisation d'un dispositif expérimental original pour la caractérisation d'un matériau PHA

National audienc

MECHANICAL CHARACTERIZATION AND SIMULATION UNDER MULTIAXIAL CONDITIONS OF POLYHYDROXYALKANOATES

International audienceThis study focuses on the mechanical properties characterization of biodegradable and bio-based materials: the Polyhydroxyalkanoates (PHAs). An original experimental setup has been developed to perform multiaxial tests on a single shape of cylindrical specimen. It is composed of a load cell and a mechanical assembly allowing successive or simultaneous loading cycles of tensile, compression and torsion. Classical shear and tensile tests, besides the fact they use different specimen shapes, seems not sufficient to get a suitable 3D constitutive model. The aim is so to perform complex loading paths with direction changing and cycles during a test, allowing to scan all the deviatoric plan of deformation and taking into account the loading history. This database is used for the identification of an Hyperelasto-Visco-Hysteresis (HVH) model which is used to simulate the mechanical behavior of food packaging structure in PHAs

Specifications and evaluation of a MAC protocol for a LP-WPAN

International audienceIndustrials have been increasingly interested in wireless sensor and actuator networks to monitor and control installations. The recent IEEE 802.15.4 standard has been developed to address vital issues of these networks, such as limited battery power and low processing capabilities. However, the standard does not meet all the requirements of industrial networks. For example, only some of the IEEE 802.15.4 nodes save energy. Also, this standard suffers from beacon frame collisions. In this paper, we describe MaCARI, a deterministic MAC layer protocol which allows all nodes to save energy and avoids the beacon frame collisions. We discuss several optimizations to increase the performance of the protocol or to offer QoS features. We evaluated the main components of MaCARI using a simulation and a prototype on a real hardware platform in order to prove their feasibility

Cross-layering in an industrial wireless sensor network: case study of OCARI

International audienc