Compréhension des paramètres de produit et de procédé de fabrication des tissus 3D interlocks chaines.Applications en tant que renfort fibreux de solutions de protection à l'impact.

Abstract

The results and analyzes, presented in these five main themes of this report, are all built around a common denominator, namely: 3D warp interlock fabrics.The first theme focuses on the observation and parameterization of 3D warp interlock fabrics to define more precisely the observed woven structures. A definition of 3D warp interlock fabrics and a classification of different types of architectures are exposed. Different observations, through cross-sectional views of warp and weft yarns, can reveal the complexity of geometries representation of 3D warp interlock fabrics and the influence of process parameters on weaving positioning changes in the structure of multi-layered woven fabrics. A classification of the main cross-section shapes of warp and weft yarns, located inside a 3D warp interlock fabric, is presented in order to optimize the overall performance of multi-layer woven structure. Finally, the influence of the bonding type of 3D warp interlock fabric on the mechanical properties during quasi-static loading is proved both on dry and impregnated reinforcements.The second theme tends to reveal the residual properties of 3D warp interlock fabrics as multi-fibre reinforcement for complex composite structures. Through a literature review completed with our search results, we highlighted the advantages and disadvantages of the manufacturing process, architecture woven and mechanical properties of 3D warp interlock fabrics. The delamination and the impact resistances appear to be the two main mechanical characteristics of the 3D warp interlock fabrics. Based on these properties, we have shown their ability to be deformed by bending process and dry forming at quasi-static speed.The third theme focuses on the analysis of the manufacturing process of fabrics, allowing to reveal its complex nature and requiring some adjustments. Visual observation of images, obtained by high speed videos, of the kinematic of the weaving process and the measurement of stresses applied to the material by the use of innovative sensor yarns, helps to better understand the manufacture of fabrics. The kinematics of the weaving process have been reproduced by simulation, to analyse different dynamical movements of the loom parts which act on the actual geometry of the woven fabric. Observation of cross sections of warp and weft yarns and their positioning into the fabric, show high similarity between the simulated and actual fabrics. The optimization of the manufacturing process tends to minimize the yarn degradation during the weaving process. The design of weaving machines suitable for prototyping of 3D warp interlock fabric for all types of yarns (carbon and other types) is based on this experience and understanding of the manufacturing process and helped to optimize the multi-woven structures layers.The fourth theme aims at identifying flexible impact protection solutions, defining the dynamic deformation modes of textile structures. A multi-scale, macroscopic and mesoscopic numerical model, 2D fabric was used to simulate the influence of different yarns parameters on the ballistic performance of woven structures. Various studies of experimental research of impacts on 3D warp interlock fabrics have revealed the influence on the ballistic performance of certain parameters of the fabric; especially the homogeneity of the warp and weft density values, the number of layers of the 3D warp interlock fabric and the warp and weft yarns yields. Based on this understanding of the behaviour model of the impact of flexible textile structures, three different solutions have been proposed to meet the protection needs of body armour under impact of various munitions at varying speeds.The fifth subject identifies hard impact protection solutions, including integrating composites alone or coupled with other materials like metal or ceramics. Through a literature review completed with our research observations, we have identified endogenous fabric parameters of 3D warp interlock fabrics which can influence the impact behaviour. Based on these characteristics, we have found various hard protection solutions, integrating composite materials, fibre reinforcement type as 3D warp interlock fabrics with different architecture, yarns and resin impregnations, in response to the impacts of various different munitions speeds.All of this research aims to better define and understand the product parameters and manufacturing process of 3D warp interlock fabrics.Les résultats et analyses, présentés dans les 5 principaux thèmes de ce rapport, s'articulent tous autour d'un même dénominateur commun que sont : les tissus 3D interlocks chaines.Le premier thème se focalise sur l'observation et le paramétrage des tissus 3D interlocks chaines afin de définir le plus précisément les structures tissées réelles observées. Une définition des tissus 3D interlocks chaines ainsi qu'une classification des différents types d'architectures sont exposées. Différentes observations par le biais de vues en coupe des fils de chaine et trame permettent de révéler la complexité de représentation des géométries des tissus 3D interlocks chaines ainsi que l'influence des paramètres du procédé de tissage sur les modifications de positionnement des fils dans la structure tissée multi-couches. Une classification des principales formes de section des fils de chaine et trame d'un tissu 3D interlock chaine est présentée afin d'optimiser la représentation globale de la structure tissée multi-couches. Enfin, l'influence du type de liage du tissu 3D interlock chaine sur les propriétés mécaniques en mode de sollicitation quasi-statique est révélée à la fois sur des renforts résinés et non résinés.Le deuxième thème tend à révéler les propriétés résiduelles des tissus 3D interlocks chaines en tant que renfort fibreux multidirectionnel pour des structures composites complexes. Par le biais d'une étude bibliographique complétée de nos résultats de recherche, nous avons mis en évidence les avantages et inconvénients du procédé de fabrication, de l'architecture tissée et des propriétés mécaniques des tissus 3D interlocks chaines. La résistance au délaminage ainsi que la résistance à l'impact semblent être les deux caractéristiques mécaniques principales des tissus 3D interlocks chaines. Sur la base de ces propriétés, nous avons montré la capacité de déformation par procédé de pliage et de mise en forme dans la direction de l'épaisseur, à vitesse quasi-statique, des tissus 3D interlocks chaines.Le troisième thème est consacré à l'analyse du procédé de fabrication des tissus permettant d'en révéler son caractère complexe, nécessitant quelques adaptations. L'observation visuelle par images issues de vidéo rapides de la cinématique du procédé de tissage et la mesure des contraintes appliquées sur la matière par l'utilisation de fils capteurs innovants aboutissent à une meilleure compréhension de la fabrication des tissus. La cinématique du procédé de tissage a été reproduite par simulation, permettant d'analyser les différents mouvements dynamiques des éléments de la machine à tisser qui influent sur la géométrie finale de l'architecture tissée. L'observation des sections transverses des fils de chaine et trame, ainsi que leur positionnement dans le tissu, montrent une forte similarité entre les tissus simulés et les tissus réels. L'optimisation du procédé de fabrication a permis de minimiser la dégradation des fils au cours du tissage. La conception de machines à tisser de prototypage adaptées aux tissus 3D interlocks chaines pour l'ensemble des types de fils (carbones et autres natures) repose sur cette expérience et compréhension du procédé de fabrication et a permis de l'optimiser aux structures tissées multi-couches.Le quatrième thème s'oriente vers la présentation des solutions de protection souple à l'impact, notamment en définissant les modes de déformation dynamique des structures textiles. Un modèle numérique multi-échelles, macroscopique et mésoscopique, de tissu 2D a permis de simuler l'influence de différents paramètres de fils sur la performance balistique des structures tissées. Différents travaux de recherche expérimentaux d'impacts sur des tissus 3D interlock chaine ont permis de révéler l'influence sur la performance balistique de certains paramètres du tissu; notamment l'homogénéité des valeurs de densité des fils de chaine et trame, le nombre de couches du tissu 3D interlock chaine et les titrages de fils de chaine et trame. Sur la base de cette compréhension du modèle de comportement à l'impact des structures textiles souples, trois solutions différentes ont été proposées pour répondre aux besoins de protection des gilets pare-balles sous aux impacts de différentes munitions à des vitesses variées.Le cinquième thème identifie les solutions de protection dure à l'impact, intégrant notamment des matériaux composites seuls ou couplés à d'autres matériaux de type métallique ou céramique. Par le biais d'une analyse bibliographique complétée de nos observations de recherche, nous avons mis en évidence les paramètres endogènes des tissus 3D interlocks chaines pouvant influer sur le mode de comportement à l'impact. Sur la base de ces caractéristiques, nous avons identifié différentes solutions de protection dure, intégrant des matériaux composites, de renforts fibreux de type tissu 3D interlock chaine de différentes architecture et composés de différents fils et résines, pour répondre aux impacts de diverses munitions à différentes vitesses.L'ensemble de ces travaux de recherche vise ainsi à mieux définir et comprendre les paramètres de produit et de procédé de fabrication des tissus 3D interlocks chaines