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Dans un contexte législatif de plus en plus restrictif concernant les émissions de CO2, l’industrie automobile s’intéresse à l’utilisation des matériaux composites hautes performances pour alléger les véhicules. L’utilisation de ces matériaux pour des industries grand volume nécessite d’industrialiser leurs procédés de mises en œuvre, et notamment le préformage des renforts textiles. Il s’agit d’une étape clé puisqu’elle influe sur les paramètres morphologiques du renfort, qui impactent directement les propriétés du matériau composite. Pour leurs performances mécaniques, les Non-Crimp Fabrics sont un type de renforts textiles de plus en plus utilisé pour la fabrication de matériaux composites. Cependant, leurs modes de déformation sont particuliers et plus complexes que ceux des produits tissés, plus largement étudiés et utilisés. Le premier objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est la compréhension des principaux modes de déformation des Non-Crimp Fabrics. Cette étude est effectuée d’abord au travers des différents tests de caractérisation sur plusieurs architectures de Non-Crimp Fabrics. Des études concernant l’Uniaxial Bias Extension test, qui permet la caractérisation en cisaillement plan des renforts, montrent que ce test est applicable aux Non-Crimp Fabrics en accord avec les hypothèses classiques. Des indicateurs évaluant la fiabilité du test ont été développés. Dans un second temps, une approche cinématique reliant les paramètres d’architecture des Non-Crimp Fabrics à leur déformabilité en cisaillement plan est présentée. Cette approche permet d’optimiser ou d’évaluer rapidement les structures des Non-Crimp Fabrics vis-à-vis de leur déformabilité en cisaillement plan.Le second objectif de ces travaux de thèse est le développement d’un procédé d’estampage séquentiel pour préformer des renforts, et notamment des Non-Crimp Fabrics. Dans un premier temps, un argumentaire géométrique permet d’orienter le développement du procédé d’estampage. Dans un second temps, la simulation numérique par éléments finis est utilisée pour optimiser le procédé vis-à-vis de la spécificité des Non-Crimp Fabrics. Un intérêt particulier est porté sur la calibration de la loi de comportement du matériau MAT140, utilisé dans le cadre de ces travaux de thèse. La corrélation entre la simulation et les résultats expérimentaux est systématiquement étudiée, tant à l’échelle des tests des caractérisations élémentaires qu’à l’échelle de la pièce réalisée. / Due to legacy restrictions concerning CO2 gas emissions, the automotive industry is interested in the use of high-performance composite materials to make vehicles lighter. The manufacturing of composite materials with high production rate requires to industrialize processes, and in particular preforming processes for textile reinforcements. Those processes are a key step since they determine the morphologic parameters of the reinforcements, which directly influence the composite material properties. For their mechanical behaviors, Non-Crimp Fabrics are a type of textile reinforcement more and more used for composite materials manufacturing. However, their deformation modes are specific and more complex than those of woven fabrics. The first aim of the thesis presented in this manuscript is the understanding of Non-Crimp Fabrics main deformation modes. Firstly, several Non-Crimp Fabric behaviors are analyzed thanks to tensile, bending and in-plane shear characterization tests. Specifically, the uniaxial bias extension test is studied and it is shown that the in-plane shear behavior of Non-Crimp Fabrics can be determined in accordance with the test classic assumptions. Moreover, indicators are developed to evaluate the reliability of the test. Secondly, a kinematical approach is presented. This geometrical analysis links the Non-Crimp Fabric parameters to the in-plane shear formability. This approach makes the evaluation and the optimization of Non-Crimp Fabric structures possible, from the in-plane shear formability point of view. The second aim of these thesis works is the development of a sequential stamping process to preform textile reinforcement, and Non-Crimp Fabrics in particular. Firstly, the process is designed thanks to geometrical and kinematical analyses. Secondly, numerical simulations, based on finite elements theory, are used to optimize the process design and the process parameters taking into account Non-Crimp Fabrics specificities. Fabrics are modelized with the MAT140 shell formulation. The calibration of this model is done and analyzed. Correlation between simulation and experimental results are systematically done at the characterization scale as well as at the preform scale.

Grâce à leur géométrie spécifique, faite d’une superposition de couches unidirectionnelles de fibres continues, liées par des coutures plus ou moins complexes, les renforts NCF (Non-Crimp Fabric) possèdent une combinaison de propriétés intéressantes. Ces propriétés permettent l'utilisation de procédés de production tels que le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et permettent l’utilisation des caractéristiques de rigidité élevée des fibres dans la pièce finale. Ainsi, ces renforts trouvent des applications dans différents secteurs de l'industrie des composites et notamment en aéronautique. Les couches, formées de fibres parallèles juxtaposées, sont liées par différents types de coutures. Ce lien conduit à des propriétés différentes de celles observées sur un renfort tissé où les mèches de chaîne et de trame sont liées par entrelacement. Par conséquent, la cinématique de déformation des renforts NCF secs lors de la mise en forme peut être différente. Dans ce travail de recherche, nous menons d'abord une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation se produisant lors de tests élémentaires et lors d’une expérience d’emboutissage. Plusieurs renforts NCF et un renfort interlock sont étudiés. Ensuite, nous introduisons un nouveau modèle pour la simulation de la mise en forme du renfort de composite NCF sec. Cette approche implique l’utilisation d’éléments finis lagrangien semi-discrets pour représenter les couches et d’éléments de barres pour représenter les coutures. Ce modèle nécessite un algorithme de contact spécifique pour gérer la relation entre les éléments finis. Une loi de frottement de Coulomb avec seuil de glissement est utilisée. Enfin, le modèle est validé par l’intermédiaire de l’essai de bias test puis la mise en forme sur un hémisphère est simulée et comparée à l'expérience. / Due to their specific geometry, made of overlapping layers of unidirectional plies of continuous fibres, linked by more or less complex stitching, non-crimp fabric (NCF) reinforcements have advantageous combination of properties. These properties enable the use of process in production such as RTM process and allow the full use of stiffness characteristics of the fibres in the final part. Thus, these reinforcements find applications in different areas of composites industry. The plies of juxtaposed parallel fibres are bound by a tricot or a chain stitching with a lead. This link leads to different properties of the NCF compared to those of a woven reinforcement where the warp and weft yarns are linked by the interweaving. Therefore, deformation kinematics of dry NCF reinforcements might be different. In this research work, we first carry out an experimental study on deformation mechanisms occurring during elementary tests and a drawing experiment. Several non-crimp fabrics and an interlock fabric are studied. Then, we introduce a new model for the simulation of the dry composite reinforcement preforming. This approach involves a semi discrete Lagrangian finite element to represent the plies and a truss element to represent the stitching. This model requires a specific contact algorithm to handle the relation between the finite elements. A Coulomb law with a friction threshold is used. Finally, the model is validated using the bias extension test and the preforming on a hemisphere is simulated and compared to the experiment.

Grâce à leur géométrie spécifique, faite d'une superposition de couches unidirectionnelles de fibres continues, liées par des coutures plus ou moins complexes, les renforts NCF (Non-Crimp Fabric) possèdent une combinaison de propriétés intéressantes. Ces propriétés permettent l'utilisation de procédés de production tels que le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et permettent l'utilisation des caractéristiques de rigidité élevée des fibres dans la pièce finale. Ainsi, ces renforts trouvent des applications dans différents secteurs de l'industrie des composites et notamment en aéronautique. Les couches, formées de fibres parallèles juxtaposées, sont liées par différents types de coutures. Ce lien conduit à des propriétés différentes de celles observées sur un renfort tissé où les mèches de chaîne et de trame sont liées par entrelacement. Par conséquent, la cinématique de déformation des renforts NCF secs lors de la mise en forme peut être différente. Dans ce travail de recherche, nous menons d'abord une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation se produisant lors de tests élémentaires et lors d'une expérience d'emboutissage. Plusieurs renforts NCF et un renfort interlock sont étudiés. Ensuite, nous introduisons un nouveau modèle pour la simulation de la mise en forme du renfort de composite NCF sec. Cette approche implique l'utilisation d'éléments finis lagrangien semi-discrets pour représenter les couches et d'éléments de barres pour représenter les coutures. Ce modèle nécessite un algorithme de contact spécifique pour gérer la relation entre les éléments finis. Une loi de frottement de Coulomb avec seuil de glissement est utilisée. Enfin, le modèle est validé par l'intermédiaire de l'essai de bias test puis la mise en forme sur un hémisphère est simulée et comparée à l'expérience.

Aerospace structural components made from polymer matrix composites (PMCs) offer numerous advantages. Their high stiffness and high strength combined with low densities enable lower fuel consumption coupled with higher payloads. As a result, PMCs provide an important economic advantage over typical metallic airframes. Textile reinforcements for PMCs are made by assembling reinforcement fibres, typically carbon. Then, the textile reinforcements are typically cut into smaller pieces, stacked, draped and assembled into a dry assembly called a preform, the shape of which generally approaches that of the PMC part to be made. This manufacturing process is labour intensive and expensive. Novel thick, net-shape, drapable, high vf textile reinforcements used toward manufacturing aerospace PMCs are being developed at the University of Ottawa. The technology enables the manufacturing of flat, drapable multilayered near net-shape preforms. The bending and in-plane shear behaviours of such novel thick reinforcement textiles was investigated to understand and define the behaviour of such thick fabric reinforcements when formed into required shapes. A bending apparatus was developed for investigating the bending behaviour of these novel thick reinforcement fabrics and an articulated frame shear rig was used for investigating the in-plane shear behaviour. A non-destructive inspection method using infrared imaging was used for investigating and identifying flaws and defects in these thick, dry textile reinforcements, aiming at increasing the quality and reproducibility of the final PMC parts made from these reinforcements.

In most application to date reinforced carbon fiber composites have been used in relatively smaller thickness, less than 10mm thick and essentially for carrying in-plane loads. As a result, design and testing procedures were developed which reflected the need to understand the in-plane response of the material. recently, engineers and designers have begun to use reinforced carbon fiber composites in thicker sections, where an understanding of the through-thickness response is of para-mount importance in designing reliable structures, particularly where the through-thickness strength has a controlling influence on the overall structural strength of the component. In this thesis tests will be done on carbon fiber non-crimp fabric (NCF) which will be loaded in compression and shear and elastic moduli and strength will be evaluated. In characterizing the through-thickness mechanical properties of a composite, the objective is to produce a state of stress in the test specimen which is uniform and will repeatedly measure the true properties with accuracy. In this study, specimens were machined from two blocks of thick (~20 mm) laminates of glass/epoxy and NCF carbon fiber infused with vinylester and tested in compression, and shear.

L’industrie aéronautique travaille sur l’amélioration des systèmes propulsifs parl’introduction de composites dans la fabrication des aubes de soufflante afin d’alléger lastructure et ainsi de réduire la consommation en carburant des avions. Ces pièces réaliséesen tissage 3D présentent généralement des irrégularités de surface. Une manière d’optimisercet aspect est d’ajouter un pli additionnel de surface : nos travaux de thèse portent sur ledéveloppement de ce pli sous la forme d’un renfort « Non Crimp Fabric » (NCF) biaxial extrafinen fibre de carbone de module intermédiaire (IM), inférieur à 100 g/m², régulier et ayant unebonne déformabilité. Lors de nos travaux de thèse, nous avons utilisé la méthode des plans d’expériencepour améliorer la technologie d’étalement afin de répondre aux exigences demandées. Nousavons pu définir la configuration optimale d’étalement permettant d’atteindre la cible d’un pliinférieur à 50 g/m² en fibre de carbone IM. Pour réaliser un NCF extra-fin, après étalement,les plis sont assemblés par couture afin d’assurer la tenue du renfort. La combinaison decouture choisie (armure, tension, longueur, jauge …) conditionne l’aspect du NCF et sacapacité à être manipulée et déformée. Nous avons donc optimisé les paramètres de coutureafin d’obtenir les propriétés souhaitées. Après avoir optimisé l’étalement des fibres et l’assemblage des plis, nous avons réalisé et caractérisé les renforts NCF extra-fins pour valider leurs propriétés. Nous sommesfinalement parvenus à mettre au point un renfort NCF en fibre de carbone IM, inférieur à50 g/m² par pli ayant un taux de couverture supérieur à 98 % et une bonne capacité à sedéformer. / Aircraft manufacturers are working on the improvement of their engines bymanufacturing fan blades with advanced composite materials to reduce fuel consumption.However, fan blades are made from 3D woven fabrics which often have surface irregularities.It can be minimized by an additional thin layer on the surface : our thesis work is focused onthe development of a new textile structure based on ultra-thin biaxial “Non Crimp Fabric” (NCF)technology. This spread NCF made from intermediate modulus (IM) carbon fibers must belighter than 100 gsm, regular and deformable.During our thesis work, we used Design of Experiments (DOE) methodology to improvethe spreading technology used by Chomarat to make ultra-light NCF materials and meet theestablished requirements. We were able to reach the ultra-thin ply target of less than 50 gsmper ply. After optimizing the spreading process these thin ply tapes are stitched together tocreate NCF. Stability, visual aspect, handling and deformability are dependent on the stitchingsettings (stitching pattern, tension, length, gauge, etc.). Therefore we optimized the stitchingparameters to get the desired properties.After the spreading and stitching process had been optimized, the NCF weremanufactured and tested to validate the desired properties had been achieved. The testingconfirmed that we were able to develop a new carbon fiber NCF that was less than 50 gsm perply, had a coverage rate of higher than 98 % and had good deformability characteristics.

Non-crimp fabrics (NCFs), especially multi-axial warp-knitted fabrics, are used as reinforcement materials for fiberreinforced composites. The manufacturing of multi-axial warp-knitted fabrics by a conventional stitch bonding process to produce NCF has several disadvantages, such as filament damage, low production speed, yarn disorientation, etc. In order to overcome the existing limitations, the idea of using an adhesive binder to attach the fabric layers is a promising approach, so that the use of stitching yarns can be eliminated. The fundamental investigations presented in this paper show that the selection of the binder material has a major influence on the parameters of the textile products. Whereas the tested hotmelt adhesives offer a short curing time and a small but nevertheless sufficient bonding strength between bonded yarns, the tested reactive adhesives show a bonding strength up to 10 times higher, but at a considerably longer curing time. The reason for the different bonding strength is identified in the different penetration into the yarns. The experiments also show a significant influence of the fiber type and sizing, which needs to be taken into account when selecting fabric binders.

The use of non-metallic, textile reinforcement structures in place of steel reinforcement is a key component in making concrete constructions more sustainable and durable than they currently are. The reason for this is the corrosion resistance of textile reinforcements, which makes it possible to reduce the thickness of the concrete cover and at the same time extend the service life of concrete structures. This reduces the amount of cement required and thus also the emission of the greenhouse gas carbon dioxide. By means of textile manufacturing technologies, customized, load-adapted reinforcement topologies can be adjusted to the requirements of highly stressed and well-designed concrete components. The objective of this paper is to give an overview of recent research literature dedicated to textile reinforcement structures that are already used for concrete applications in the construction industry as well as those currently under development. Therefore, textile reinforcement structures, which are divided into one-, two- and three-dimensional topologies, as well as common materials used for textile-reinforced concrete are reviewed. Most research has so far been devoted to two-dimensional textile reinforcement structures. Furthermore, novel approaches to the fabrication of textile reinforcement structures for concrete applications based on robotic yarn deposition technologies are addressed.:1.) Introduction 2.) Materials for textile reinforcement structures for construction applications 3.) Textile reinforcement structures for construction applications 4.) New developments in robot-supported manufacturing technologies for construction applications 5.) Conclusion

Non-crimp fabrics (NCF) have become established in the fields of the automotive, aircraft, and wind power industries, which has led to an increasing demand of fiber plastic composites. In order to utilize the known excellent load-bearing properties of NCF and also to reduce the related disadvantages such as fiber undulation caused by stitching yarn, inclusions of resin and filament breakage by the stitch-bonding process have to be addressed. Hence, an alternative manufacturing technology is presented. This technology is defined by the punctiform application of a polyester hot melt adhesive to enable different geometries of NCF and ensure the position of the high-performance fiber in the load direction. The new manufacturing process, on the one hand, demands new testing methods to investigate the adhesion between the used adhesive and highperformance fibers, while, on the other, the surface of the adherend (carbon fiber) needs to be improved. Oxyfluorination is used here for the surface modification. Different tests such as peel test, shear test and transverse tensile test were developed and evaluated with different adhesives and high-performance yarns based on glass and carbon. The influence of the used copolyester hot melt on the curing kinetics of an epoxy matrix was investigated by differential scanning calorimetry using quasi-isothermal and non-isothermal measurements. In addition, the interface between the thermoplastic epoxy resin and the copolyester hot melt was analyzed by scanning electron microscopy.