Quelques probléma)ques de mise en œuvre des composites / EMR

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,
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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)
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Structure sur mesure Mise
en
forme
Dispersion
Charges
Saturation
Porosités
Contraintes
Internes
Externes
Déformations
résiduelles
Fonctions
&
Défauts
Structure sur mesure ! Propriétés
Adhésion
Mouillage
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Maîtrise de la santé ma/ère Shape distortion
Tow degradation
Matrix cracking
Reduced strength
Micro & macro voids
Fibre buckling
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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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