Procédés d'injection sur renfort pour matériaux composites : fabrication virtuelle et optimisation

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De nombreux secteurs industriels font face à des défis économiques et environnementaux pour lesquels l'intégration de matériaux plus légers et durables représente un enjeu majeur. Depuis 10 ans, de nouvelles applications des matériaux composites ont pu être développées dans les domaines de l'aéronautique et de l'automobile grâce l'utilisation des procédés d'injection sur renfort LCM (« Liquid Composite Molding »). Ces procédés consistent à disposer un renfort fibreux sec dans la cavité d'un moule et à l'imprégner progressivement par une résine liquide réactive. Ils permettent de fabriquer des pièces de haute performance, possèdent un fort potentiel d'automatisation et offrent des possibilités intéressantes comme l'utilisation de renforts tissés tridimensionnels. Plusieurs applications industrielles pourraient bénéficier des avantages apportés par les procédés LCM mais le développement est retardé en raison du manque d'outils prédictifs fiables. Le programme de recherche vise à lever cet obstacle en développant des outils numériques novateurs pour optimiser la conception des moules et simuler la fabrication du composite. Les travaux de recherche s'articulent en trois volets principaux : 1- Les phénomènes d'écoulement aux petites échelles (de 10 microns à quelques centimètres) seront étudiés par simulation numérique. L'approche se fondera sur l'utilisation de la microtomographie aux rayons X pour reconstruire des géométries représentatives de la structure réelle du matériau. Ceci permettra de mieux comprendre l'influence de l'architecture des renforts textiles sur la création de défauts de fabrication dans le composite au cours de l'injection de la résine. 2- Le deuxième volet porte sur l'échelle macroscopique du composite (celle de la pièce complète) et vise à développer une nouvelle méthode pour simuler le remplissage de la cavité du moule. Le modèle se fondera sur une représentation moyennée de l'écoulement diphasique multi-échelle et fera aussi intervenir une description stochastique des propriétés du renfort pour tenir compte de la variabilité intrinsèque du matériau. 3- Le troisième volet proposera une nouvelle méthodologie de conception pour optimiser le dimensionnement des moules. Une méthode rapide pour simuler le comportement thermomécanique des moules sera mise au point afin d'intégrer les résultats de simulation dans une procédure d'optimisation multicritère. Les nouveaux outils numériques proposés seront développés à partir de cas de complexité croissante pour viser à terme une utilisation en milieu pratique industriel. Ceci apportera une avancée significative dans l'utilisation du prototypage virtuel lors de la mise à l'échelle des procédés, étape critique en vue de développer de nouvelles applications des composites.