Quelques probléma/ques de mise en œuvre des composites / EMR Satura'on – Porosité – Défaut Joël Bréard [email protected] Laboratoire Ondes et Milieux Complexes – Le Havre LOMC, UMR 6294 Equipe CASMOC Caractérisation Acoustique des Structures et Mise en Œuvre des Composites Rencontres CEVEO, 24 juin 2014 Mo/va/ons Milieux de fibres enchevêtrées > Variabilité • Assemblage désordonné ou ordonné de fibres > renfort sur mesure • Matrice fluide ou solide > Matrice thermoplas/que (chargée ou non) • Microcomposite (fibres naturelles) MISE EN ŒUVRE Milieux auto-‐assemblés : dépôt couche par couche > Matériaux fonc/onnels > Prédire et op/miser les propriétés mécaniques et physiques de ces milieux complexes : MILIEUX • Écoulement / matrice fluide • Propriétés mécaniques et physiques / matrice solide COMPLEXES Microfluidique appliquée à la mise en œuvre des composites Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Mise en œuvre des composites Rappel: En général, le renfort est déjà sous sa forme défini/ve lors de la mise en œuvre du composite. Lors de la mise en œuvre : > La matrice est transformée > L’interface est créée Procédés & Propriétés induites Mise en forme des renforts Ecoulement Thermomécanique Thermociné'que Couplages La mise en œuvre doit : -‐ préserver l’intégrité du renfort : orienta/on, aspect thermique … - être effectuée avec une matrice appropriée : entrant en contact in/me avec le renfort, développant les propriétés mécaniques désirées … GdR MIC 3371 -‐ permeTre d’éviter la forma/on de défauts (bulles, zones sèches …) GdR M3F 3542 Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Mise en œuvre des composites Un classement en fonction de L/d, puis de l’écoulement et des paramètres intrinsèques (Fibre, Matrice …) & extrinsèques (Couplages THMC) 1-‐ L/d =1-‐100 : fibres courtes ou par/cules, nanocharges. A-‐ peu d’écoulement rela/f A1: Injec/on A2: Extrusion 2-‐ L/d=100-‐1000 : Fibres courtes A-‐ peu d’écoulement rela/f A1: Injec/on A2: Extrusion B-‐ Ecoulement à l’échelle de quelques fibres ou par/cules B1: Moulage par compression B2: Moulage par centrifuga/on 3-‐ L/d>1000 : Fibres longues A-‐ peu d’écoulement rela/f: A1: moulage en autoclave ou bâche à vide de préimprégnés A2: thermoformage de thermoplas/ques en feuilles, moule fermé A3: moulage de comélés A4: dépose de rubans B-‐ Ecoulement à l’échelle d’une mèche de fibres: B1: Pultrusion B2: Enroulement filamentaire B3: fabrica/on des préimprégnés pour A: GMT, SMC, prepregs … C-‐ Ecoulement à l’échelle de la pièce: C1: Liquid composite molding: RTM LRI … L/d = 30 > 1000 : NCC … Composite auto-‐consolidé Composite comélé Voie sèche Voie humide Composite par infiltra/on LCM L/d > 1000 Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Paramètres : Choix de l’architecture des renforts 956 P.J. Schubel / Composites: Part B 43 (2012) 953–960 Table 2 Material cost comparison: NCF and woven. Construction 0/90 0/90 ±45 ±45 0/!45/90/+45 0 0/90 0/90 Weight (GSM) NCF NCF NCF NCF NCF NCF Woven Woven 400 600 400 600 800 300 400 600 Cost E-glass (£/kg) Carbon (£/kg) 3.90 2.77 4.20 3.08 3.38 2.94 4.66 3.26 43.70 43.40 40.80 40.30 50.40 46.70 45.10 44.90 (Fig. 5); the impact on total component cost is instantly observed. At the time of writing, the volume price on wind energy grade NCF was approximately £2/kg, however this chart demonstrates the impact on cost that could be seen if any of the earlier mentioned influences such as currency exchange or global demand dramatically changed. Fig. 5 also illustrates the cost difference in producing a 40 m blade from NCF (£2/kg) to an equivalent woven (£2.4/kg). The use of NCF in wind turbine blade manufacture has a 4.2% cost saving to the total blade shell cost when compared to an equivalent woven. 2.6. Capital equipment Table 3 Materials information. Tissés Tressés Variable Units Typical values (40 m blade) Material ID Material description Cost Units Wastage Density # £/kg NCF Biaxial E-glass 600gsm Prepreg 45 wt% resin 2.68 % g/cc 7 1.8 NCF In all processing there is some element of capital equipment that needs to be considered and factored into the overall cost of the component. Capital equipment includes items seen in Table 4, although, prices can vary dramatically depending on the scale of production. Presented are some guide costs for equipment related to large scale manufacture. The elements of cost that need to be considered are detailed in Table 5 and clearly shows that the initial purchase cost of the equipment is only a proportion of the true cost to the process. 2.7. Tooling Materials and prices are based on the majority of sales within the wind turbine blade manufacturing industry for that particular Tooling costs vary considerably depending on the size of the type of product and are assumed to be ‘volume’ prices where availcomponent, manufacturing method employed and annual producable. Simple rule-of-mixtures costs are used for liquid composite tion volumes. These parameters dictate whether low cost tools moulding (LCM) processes such as VI and Light Resin Transfer (composite) or high cost tools (aluminium, chrome plated steel) Moulding (LRTM), with volume fraction and wastages taken into are utilised. Tooling costs can make up a considerable proportion account. Wastage is set for each material individually. It is imporof the total component cost (especially for low volume production) tant to express a value for wastage for each material and is typiand an understanding of how the tooling cost amortises is essential cally represented as a percentage and is completely dependent to cost efficient manufacturing. on the material type, manufacturing process etc. For example, it may be reasonable to assume greater than 15% resin wastage for Table 4 a VI process when you consider excess resin left in the infusion Typical equipment costs for processing of large pot, infusion pipe, resin traps, breather membrane and flashing. wind turbine blades using NCF thermoset In the case of fabric/prepreg, even 30% waste is not uncommon composites. even with computer optimised nesting. Equipment Cost (£) Materials costs are heavily influenced by volume of purchase, Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Overhead crane 500k currency exchange rates, oil prices and global demand. The latter Gelcoat applicator 40k was clearly demonstrated in the carbon fibre market where deVacuum unit 20k mand outstripped supply during 2003–2008 as a result of signifiTool heaters 100k Tissés 3D Tricotés Tricotés 3D Paramètres : Choix de la matrice Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. 2.4. Effect of production volume Production volume affects the cost and efficiency of manufacture for all components, irrespective of whether they are made from composites, steel, plastics etc. Typically, fixed costs such as capital equipment need to be seen as a trade-off against production volume. In respect to automated machines such as ATL, AFP, braiding and tape winding, deposition rates typically dictate the capacity limits. Woven and NCF’s are typically processed in low to medium volume production, where manual labour techniques Paramètres : Choix du procédé sumed that woven’s cost 20% more than their NCF equ The TCM process typically relates material costs to surface area, requiring material costs to be stipulated a of surface area (£/m2). However, common practice is material costs as a function of weight (£/kg), which is changed by knowing the density of the material (Ta important to understand that materials do not just mea ment and resin in TCM. Included in this family are all c ranging from gelcoat, solvents, release agent, vacuum c etc. Couplage)THM):)contrôle)électrothermie) Contrôle) Moule) Contrôle) Fréquence) /)Puissance) …) Fami lle de procé LCM L) L+T) Choix de milieux diffuseurs (interne / externe) et des renforts T) dés Souple) SemiBrigide) Rigide) Contrôle) Ecoulement) Fig. 4. Production volumes for thermoset and thermoplastic manufacturing (adapted from [12]). Plateforme Mise en Œuvre des Composites du LOMC RTM TD Infusion RTM TP Estampage/Induc5on Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Couplages mul/ physiques – mul/ échelles THMC Thermique (T) (T α/χ S ) λ Chimique (α/χ) (T p) (T U) Paramètres Santé ma'ère : -‐ Matrice > chimie -‐ Porosité > satura/on -‐ Fibre > intégrité -‐ Interface > hétéro chim/géo -‐ Autres composants … D K (p Hydraulique (p) Saturation (S) α/χ S ) C (α/χ S (p , U) U) Mécanique (U) Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Structure sur mesure Mise en forme Dispersion Charges Saturation Porosités Contraintes Internes Externes Déformations résiduelles Fonctions & Défauts Structure sur mesure ! Propriétés Adhésion Mouillage Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Maîtrise de la santé ma/ère Shape distortion Tow degradation Matrix cracking Reduced strength Micro & macro voids Fibre buckling Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. Correspondance Atténuation C Scan / porosité Évolution de la porosité en fonction du nombre capillaire pour les Analyse CND Multiélément Structure à porosités contrôlées és%:%caractérisa>on%CND%US%/%AZ.%Acide% -4 D= 16.8 cm3/min 14 Y=-0.6521x+19.954 2 R =0.9122 6 Ømax= 9% • Protocole utilisé 12 14 Xmin= 140 mm 12 10 10 Cuve à eau Ca= 5.00*10-4 8 Y=-0.1705x+11.698 2 R =0.9476 D= 42 cm3/min Porosité (%) Porosité (%) • 2 enregistrements avec amplification à 15 dB et 30 dB 8 • une image brute permettant de localiser le repère 6 (scotchs aluminium) et la position des capteurs6 de 4 4 pression Y=-0.0398x+4.4602 Xmin= 245 mm Ømax= 8.2% 2 R =0.8998 2 Atténuation (dB) • Mul'-‐élément US (Plateforme CND du LOMC) Porosité moyenne (%) • • La porosité a été déterminée par attaque acide et suivant la deux norme NFd’injection EN 2564. La taille des séries échantillons correspond à celle d’une éprouvette de CIL, à savoir 15*30*3 mm3. L’atténuation moyenne correspondant à cet échantillon est alors associée a la porosité déterminée par attaque acide. X (coll. Safran Composites) Ca= 2.00*10 Tomographie 5 3 Points expérimentaux issues de la première Data: Data1_B série d'injection Model: Exp2PMod1 (à vérifier) 2 Chi^2/DoF = 0.24008 R^2 = 0.98476 4 ` 0 -4 10 La D= 252 cm3/min ±0.40465 ±0.00102 Xmin= 400 mm Ø = 0.6% a964^.728Q/H63727020,H,3-6:N/7bb2=06/447"2P, 10 10 -3 max -2 uniquement macroporosité?? 23/min D= 84 cm Xmin= 290 mm Ømax= 4.45% 17.22894 -0.03403 Nombre capillaire (Ca) Ca= 1.00*10-3 • une image en dB de la réflexion des US au fond de la 0 plaque0 0 20 40 60 80 100 0 a b 1 Ca= 3.00*10-3 20 40 60 Atténuation (dB) Ca= 2.00*10-3 D= 168 cm3/min Xmin= 335 mm 80 Ømax= 0.89% 100 Microporosité et macroporosité?? volumique d’une éprouvette ` +-,:-/101.2H1M69/;<7.2792CIL Image brute de cisaillement Image en réflexion S. Arnaud et al., 2013 702Flambeme • Observation d’une évolution tri linéaire du taux de vides en fonctionmodifié de l’atténuation obtenue par de Mar-Lin :,<-210<8/7-24Q/9P4<79M728 interlaminaire etanalyse de laC porosité Scan. Selon certains auteurs, ces changements de pente pourraient être liés à la forme et la multi nt #( taille des porosités. #' • Au vue des coefficients Nombre Dimensions 0 m 10 1200 2014*2024 s pour les analyses tomographiques MC Le Havre) +,-,./012=>? #! de corrélation obtenus, l’ajustement analytique de l’évolution de la porosité olution Grandissement en fonction de l’atténuation en C Scan semble être plus précise dansA le cas d’une fonction puissance d’images des projections * que tri linéaire. F606n2F606#Eg D,874n2e$:'+D,8#2 22 @N/o'VF,m O2!I'(!!A Bo' O22!IKA(L* 22 6 #LI''AK( p!I(!(*) 5 %!I!&(!& p!I!!#!' ( ! (b) (a) ' ! '! (! *! A! #!! a0019<60/,92=8g? CN727PP7M02,P2G,/8.2/92M,H:,./07.2M6925727G64<607825^2 M,H:,./072 =8gIHHh#?2 fN/MN2 /.2 -7460782 0,2 0N72 G,/82 M,9 Capteurs de Repères Gradient porosité Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils nede doivent pas être copiés ni communiqués àM,H:,./07C^:/M642G64<7.2P,-2./93<46-/0^2,-87-2=m?2P,-2M, un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre. pression H2H6^25726PP7M07825^2H607-/642:-,:7-0/7.2=/I7I2+,/..,9 G,/8."2P/57-2,-/79060/,9"2P/57-2G,4<H72M,90790III2CN72D6-% Analyse microfluidique 1 mm 8 Numerical simulation of bubble formation and transport in Cross-flowing streams coefficients α and β higher than those acquired for the wetting case (Table 3). For instance, the coefficients obtained for the hexadecane (θs = 34°) are about 1.6 times higher than those for both silicone oils. For the others liquids which have relatively higher apparent contact angles (77° ≤ θs ≤ 90°), the bubble lengths are until about twice to threefold greater than in the wetting case. The obtained results can be explained by the fact that the system bubble-liquid slug is less dissipative than in the wetting case. Indeed, the surface tension forces are weaker because of the increase of θs and the dissipation in the precursor film is not a prevalent feature. Thus, only the dissipations stemming from the viscous flow and the frictional processes near the contact line have to be taken into account. This friction related to the molecular interactions induces instabilities of the contact line and thus capillary-wave excitation at the meniscus [49]. Consequently, the contact line is more mobile and larger bubble lengths can be expected. As these phenomena hinge on the wetting configurations, we can assume that both coefficients α and β are function of the contact angle. i) début de croissance, ii) forma/on du col de détachement et iii) détachement For given wetting conditions, numerical simulations were performed to study the bubble formation and motion and to attempt to find the global trend given by the experiments. Figure 4 shows some numerical simulations for a wetting liquid, the silicone oil 47V100, at Q2/Q1 = 0.1 (Figure 4a), Q2/Q1 = 0.5 (Figure 4b), Q2/Q1 = 1 (Figure 4c) and Q2/Q1 = 2 (Figure 4d). Note that in the simulations, the static contact angle is set at 10°, the flow rate Q1 is remained constant and Q2 varied in increasing. Plateforme Microfluidique du LOMC (a) (b) (c) (d) ANR LCM3M, ANR RTMPLAST, ANR TAPAS PDM numerical results of normalized bubble lengthD areoublet compared to experiments and represented in ü Mouillage > approche hydrodynamique aux pe'tes éThechelles (Pore Model) Figure 5. A slight discrepancy is observed between the obtained values of both numerical Figure 4. Snapshots of numerical simulations for silicone oil 47V100: a) Q2/Q1 = 0.1; b) Q2/Q1 = 0.5; c) Q2/Q1 = 1 and d) Q2/Q1 = 2. coefficients α and β and those obtained by the experiments or expected by Garstecki et al. model’s [8]. Indeed, Fitting the simulation data gives α = 1.53 and β = 1.42. The overestimation of the bubble length stems from many various origins. At the T-junction, three main forces balance each other: the liquid drag force, the force due to the gas penetration inside the main stream and the interfacial forces. These three forces lead to the formation of the bubble neck and impose its shape and kinetic of closing. First of all, the 3D-geometry of the connection between two perpendicular cylindrical is quite different of theetone that treat in 2D: du theHavre. first one exhibits a curved Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tubes tiers sans l’autorisation préalable écrite du we LOMC/Université shape although in the second one it is a simple, planar shape: the mechanism of formation and break-up of gas bubble is a priori different. In addition, the results are sensitive to the conditions imposed on the boundaries of the computational domain. Actually, in Brackbill et al. model’s [21], a static contact angle associated to non-slip condition was set at the contact point between the gas- ü Approche microfluidique -‐ millifluidique Y. Wielhorski et al., 2012 Collabora/ons Matériaux et structures composites pour les EMR Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique UMR 6183 CNRS - École Centrale Nantes - Université de Nantes 1. Matériaux GeM – UMR 6183 CNRS / Ecole Ccomposites entrale Nantes /pour Université e Nantes et structures les dEMR ‣ Matériaux, Procédés et Technologie des Composites (C. Binetruy, ECN) ‣ État Mécanique & Microstructure (F. Jacquemin, UN) • Mise en forme des matériaux composites • Durabilité de matériaux composites soumis à des chargements statiques ou cycliques en milieu humide Modélisation et expérimentation multiéchelles dans un contexte multiphysique ECND et instrumentation 2. GdR 3671 MIC « Mise en œuvre des composites et propriétés induites » GeM! 4! Axe 1 : Mise en forme (P. Boisse / INSA de Lyon) Axe 2 : Ecoulement (J. Bréard / Univ du Havre) Axe 3 : Couplages Thermomécanique et Thermociné'que (S. Drapier / ENSM St E/enne) Axe 4 : Procédés et Propriétés induites (C. Binétruy & P. Chinesta / ECN Nantes) Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété du LOMC / Université du Havre. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite du LOMC/Université du Havre.
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