Dans le cadre du projet Européen MAPICC 3D, un nouveau procédé de production de renforts textiles pour pièces composites à géométrie complexe est conçu. Il permet de réaliser des croisements de raidisseurs en « one-shot ». Localement optimisées afin de répondre au cahier des charges mécanique établi, les structures de renfort 3D utilisées sont également continues dans toute la géométrie de la pièce. Une caractérisation multi-échelle des échantillons produits permet de corréler les paramètres du procédé à la morphologie du renfort et donc aux propriétés finales du composite. Associé à ces résultats expérimentaux, un modèle géométrique mésoscopique a été développé, il permet de générer les volumes élémentaires représentatifs des structures de renfort présentes dans le croisement de raidisseurs. Afin d’évaluer et d’optimiser le comportement mécanique homogénéisé de ces structures de renfort, une chaine numérique par éléments finis a été développée. Enfin, une comparaison macroscopique des croisements de raidisseurs permet de quantifier l’apport d’une solution composite hétérogène « sur-mesure » par rapport à une solution métallique isotrope classique. / The European project MAPICC 3D aims the development of a preform manufacturing process for complex shape composite parts. It permits the "one-shot" manufacture of crossing of stiffeners. Locally optimized to meet the mechanical requirements, used 3D reinforcement structures are continuous in the whole part geometry. A multi-scale characterization of produced samples permits to correlate process parameters to reinforcement morphology and by this way to final composite properties. Linked to these experimental results, a mesoscopic geometrical model has been developed; it permits to generate the representative elementary volumes of crossing of stiffeners reinforcement structures. In order to evaluate and optimize the homogeneous mechanical behavior of these reinforcement structures, a mechanical modeling using finite elements has been developed. Finally, a macroscopic crossings of stiffeners comparison permits to quantify the benefits of an heterogeneous fitted composite solution compared to an isotropic metallic one.

Les caractéristiques mécaniques et le comportement à la déformabilité des renforts sont des connaissances essentielles pour optimiser les procédés de fabrication des composites notamment de formes complexes. Par ailleurs, les propriétés d'usinage des composites déterminent également grandement la performance en service des pièces composites. Cette thèse est consacrée aux trois aspects des procédés de fabrication et d'usinage afin d'explorer les caractéristiques particulières des propriétés mécaniques et des comportements de déformabilité des tissus tressés, qui sont des renforts textiles prometteurs et excellents pour les composites aux formes complexes. Mais également étudier les procédés d'usinage en utilisant la technique du jet d'eau abrasif afin d'améliorer encore l'efficacité de l'usinage sans sacrifier la qualité. Les caractéristiques mécaniques des renforts tressés, en particulier pour les composantes de cisaillement dans le plan, ont d'abord été étudiées et modélisées à partir d’essais de bias-test. Par ailleurs, les tresses triaxiales ont également fait l'objet d'une étude expérimentale de détermination des caractéristiques mécaniques relativement aux paramètres de tressage, tels que l'angle de tressage et le nombre de fils. Le comportement à la déformabilité des tresses triaxiales lors de l’étape de préformage a été analysé et corrélés avec les défauts associés en fonction des différentes conditions du procédé, telles que les pressions appliquées. De plus, l'évolution du comportement à la déformabilité en fonction de l'angle de tressage a été modélisée géométriquement et vérifiée par des résultats expérimentaux. La découpe améliorée multi-passe du jet d'eau abrasif a été introduite dans le processus d'usinage des composites grâce à l'exploration du mécanisme d'enlèvement de matière associée. Il a été conclu expérimentalement qu'une telle technique pouvait améliorer efficacement la qualité et l'efficacité de l'usinage. / The mechanical characteristics and deformability behaviours of reinforcements are essential knowledge to optimize manufacturing process composites with complex shapes. Meanwhile, the machining properties of composites also greatly determine the in-service performance of composite parts. This thesis is not only dedicated on the three aspects in manufacturing and machining processes to explore what characters the special features in the mechanical properties and deformability behaviours of braided fabrics, which are promising and excellent textile reinforcements for composites with complex shapes. But also to study machining processes using the abrasive water jet technique in order to further improve machining efficiency without sacrificing quality. The mechanical characteristics of braided fabrics, especially for in-plane shearing phenomenon, were originally investigated and modelled based on bias-extension test. In addition, triaxial braids were also the subject of an experimental study to determine the mechanical characteristics with regard to braiding parameters, such as braiding angle and number of yarns. The deformability behaviour of triaxial braids during the preforming step was analysed and correlated with the associated defects according to the different process conditions, such as the pressures applied. In addition, the evolution of the deformability behaviour as a function of the braiding angle was geometrically modelled and verified by experimental results. The upgraded multi-pass cutting of abrasive waterjet was firstly introduced into composites machining process based on the exploration of the corresponding material removal mechanism. It was experimentally concluded that such technique could effectively enhance the machining quality and efficiency.

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.

Dans plusieurs industries, les composites 3D sont largement utilisés pour fabriquer les pièces composites épaisses et complexes. La technologie de piquage permet de lier des renforts secs ensemble ou de renforcer les composites dans l’épaisseur grâce à des fils structuraux. Cette thèse est consacrée au développement de cette technologie et à l'analyse de l'influence des paramètres de piquage sur les comportements de préformage et les propriétés mécaniques de la préforme et du composite piqués.Le procédé de piquage est décrit dans la thèse. La configuration d'équipement est conçue pour réaliser ce procédé. Les paramètres de piquage peuvent être contrôlés par l'utilisateur. L’influence de la profondeur de piquage sur les propriétés mécaniques des 3D préformes renforcées par le piquage est analysé. Des 3D échantillons composites sont piqués avec des profondeurs de piquage variées. Les résultats d’essais mécaniques en traction et l’analyse microscopique sur la section transverse de l’éprouvette montrent que la profondeur influence fortement les performances mécaniques des composites. Le contrôle de ces paramètres est indispensable pour optimiser l’utilisation du piquage et améliorer les propriétés des renforts assemblés. Les comportements de préformage du renforcement piqué dans le procédé d'emboutissage hémisphérique sont aussi analysés. L'influence des fils de piquage sur l’avalement des plis, le glissement entre les couches et le phénomène de plissement lors de la formation est démontrée. De plus, les orientations du fil de piquage ont affecté les résultats de formage, qui ont conduit à un défaut de désalignement dans la zone où le cisaillement dans le plan est fort. / Three-dimensional fabrics are widely used in several industries to manufacture thicker and more complex composite parts. Tufting technology is employed to bond dry reinforcements together or to reinforce the composites in the thickness by structural yarns. The thesis is dedicated to the development of tufting technology and the analysis of the influence of tufting parameters on preforming behaviours and mechanical properties of tufted preform and composite. The tufting process and the self-designed equipment configuration are described in detail in the thesis. The tufting parameters can be completely controlled by user. Influence of tufting length through the thickness on mechanical properties of 3D tufted preform and composite is analysed in this study. 3D composite samples are prepared with varied tufting length. Tensile tests are carried out to determine the influence of the tuft length on the mechanical performance of tufted samples. The tensile results and microscopic analysis on the cross section of 3D specimen show that the tuft length strongly influences on the mechanical properties of composite. Therefore, the control of these parameters is necessary to optimize the tufting process and thus improve the mechanical performance of assembled thick reinforcements. The preforming behaviours of tufted 3D reinforcement in the hemispherical stamping process are also analysed. The experimental data demonstrates the influence of tufting yarns on the material draw-in, interply sliding, and winkling phenomenon during forming. Furthermore, the orientations of tufting yarn affected the forming results, which leaded to misalignment defect in the zone of strong in-plane shear.

Lors des procédés de fabrication des matériaux composites de type «RTM» (Resin Transfer Moulding) des résines sont injectées au travers du renfort préalablement mis en forme. La maîtrise de la mise en forme du renfort sec dans le moule est essentielle pour la maîtrise des défauts. De nombreuses études couvrent des domaines très larges associés à cette étape pour les renforts tissés, alors que peu de travaux ont porté sur la déformabilité des renforts tricotés lors de cette phase de préformage, malgré leur grande extensibilité et leur potentialité en tant que renforts de matériaux composites. Le comportement macroscopique des textiles techniques est essentiellement dû à un effet de structure. Dans le cadre de ces travaux sont détaillés l'élaboration et la conception de renforts tricotés afin de bien comprendre les paramètres spécifiques à ces structures textiles. Puis une étude expérimentale du comportement mécanique est conduite en traction uni axiale. Au travers de l'utilisation de méthodes de mesure des déformations sans contact l'analyse du comportement dans le sens colonnes et rangées est menée. Associé à la détermination du comportement, des essais de préformage de renforts secs tricotés sont réalisés sur un banc spécifique. L'analyse des résultats en termes d'avalement, d'efforts d'emboutissages et des déformations dans le fil montre la spécificité de la déformabilité de ces structures, comparativement aux renforts tissés. En vue de qualifier la faisabilité de cette étape de mise en forme de ces renforts tricotés, une corrélation entre le comportement en traction et le comportement lors du procédé est proposée. / During the manufacturing process of composite materials, such as «RTM» (Resin Transfer Moulding); resin is injected through the preformed reinforcement. The mastery of dry reinforcement layout in the mold is essential for defects control. Many studies cover wide areas related to this step for woven reinforcements, while few studies have focused on the deformability of knitted reinforcements at forming stage in spite of their significant extensibility and their potential as reinforcements of composite materials. The macroscopic behavior of the technical textiles is mainly due to their structural effect. In this research, the development and detailed design of knitted reinforcements in order to understand the specific parameters as textile structures are carried out. An experimental study of the uniaxial tensile mechanical behavior is conducted. The mechanical behavior of knitted structures in different orientations is analyzed by using contactless deformation measurements. In association with the characterization of in-plan behavior, forming tests of dry knitted reinforcements are performed on a special rig. Analysis of the results in terms of shortening, forming forces and local deformations shows the specificity of the deformability of these structures compared with woven reinforcements. To describe the formability of the knitted reinforcements, a correlation between the tensile and forming behavior is given.

Dans le cadre de cette thèse, une modélisation par éléments finis continue renforcée discrète est développée. Le modèle est basé sur le concept de la cellule élémentaire, avec utilisation de connecteurs pour prendre en compte la rigidité en tension de la structure, et modéliser l'anisotropie du tissu et un élément coque pour décrire la rigidité en cisaillement et gérer le frottement et le contact avec les outils lors de la simulation du procédé de préformage. Les différents éléments de ce maillage spécifique sont générés automatiquement à l'aide des scripts pythons. Associés à ce choix de modélisation, les caractéristiques du comportement sont déterminées à l'aide d'essais expérimentaux conduits sur le renfort et d'une démarche de méthode inverse. Le comportement de ces différents éléments est choisi d'être linéaire élastique en premier lieu, et par la suite à évoluer pour devenir non linéaire. Ces développements numériques sont réalisés dans le logiciel Abaqus/ Explicit. Dans un second temps le modèle développé est utilisé dans le cadre de simulation de l'étape de préformage des renforts secs. A ce titre un démonstrateur expérimental développé dans le cadre de la thèse sert à obtenir des résultats expérimentaux pour corréler ces travaux de simulations. Des comparaisons avec des simulations mono-couche, hémisphérique, permettre de mettre en évidence l'influence des paramètres de simulations mises en jeu. Dans le cadre de préformages de plusieurs plis, l'influence des caractéristiques du contact / frottement est mise en évidence. Finalement une procédure d'automatisation afin de rendre la simulation plus ergonomique dans un contexte industriel est présentée. Cette procédure consiste à générer le maillage spécifique et mettre la simulation en donné dans Catia. Les simulations peuvent ainsi se réaliser sans le passage par Abaqus/CAE.

Cette thèse s’intéresse au tissage et au préformage de renforts fibreux à base de fibres de lin. Avant d’être utilisés, ces fibres sont disposées en faisceaux de faible longueur (~ 30 mm en moyenne) et ont besoin d’être assemblées pour constituer un renfort linéaire continu. L’utilisation de rubans ou de rovings sans torsion est recommandée pour des applications composites. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur l’élaboration et l’utilisation de rovings traités par un agent d’encollage et sans torsion ainsi que sur l’influence des paramètres du procédé de tissage sur les propriétés mécaniques et les caractéristiques textiles des renforts tissés. Pour éviter l’endommagement de ces rovings durant le tissage, des solutions sont proposées. Dans un second temps cette thèse s’intéresse à la mise en forme de ces renforts sur une géométrie complexe. Ce travail se concentre alors sur l’étape de préformage du procédé RTM. Une approche expérimentale est abordée pour identifier et quantifier les défauts apparaissant durant l’emboutissage sur une géométrie complexe comme le tétraèdre. Cette analyse se concentre en particulier sur le défaut de bouclage causé par un fléchissement des mèches. Des solutions comme l’optimisation de l’architecture des renforts sont observées pour obtenir cette géométrie complexe sans défaut avec des renforts à base de fibres de lin. La forme, le positionnement ainsi que la pression appliquée sur les serre-flans maintenant le renfort au cours du passage du poinçon influent également sur la génération des défauts. L’optimisation du procédé d’emboutissage pour empêcher l’apparition de boucles sur les préformes conclut ce travail. / This work focuses on the weaving and forming of flax based reinforcements. Before being woven, naturalfibres on the form of finite length bundles (~ 30 mm in average for flax) need to be assembled together in a1D continuous product. The use of roving or slivers without twist is rather recommended for compositeapplications. In a first part, this study focuses on the manufacturing and the use of untwisted rovings treatedwith a bonding agent as well as on the weaving process parameters that may influence the mechanicalproperties and the textile characteristics of the woven fabric. Solutions to prevent roving defects duringweaving are proposed. In a second part, this study investigates the ability to develop composite parts with complex geometrieswithout defect. It focuses on the first step of RTM process which consists in forming dry fibrousreinforcements. An experimental approach is used to identify and quantify the defects. The buckling defectcaused by the bending of tows during the preforming step is particularly investigated. Solutions to realize acomplex shape such as a tetrahedron without any defect from flax based woven reinforcements areproposed. With optimized reinforcement architecture, buckling can be prevented. Another solutionconsisting in optimising the process parameters such as the blank holder geometry or the blank holderpressure to prevent the appearance of buckles from commercial fabrics was also investigated with success.

Dans le cadre de cette thèse, une modélisation par éléments finis continue renforcée discrète est développée. Le modèle est basé sur le concept de la cellule élémentaire, avec utilisation de connecteurs pour prendre en compte la rigidité en tension de la structure, et modéliser l'anisotropie du tissu et un élément coque pour décrire la rigidité en cisaillement et gérer le frottement et le contact avec les outils lors de la simulation du procédé de préformage. Les différents éléments de ce maillage spécifique sont générés automatiquement à l'aide des scripts pythons. Associés à ce choix de modélisation, les caractéristiques du comportement sont déterminées à l'aide d'essais expérimentaux conduits sur le renfort et d'une démarche de méthode inverse. Le comportement de ces différents éléments est choisi d'être linéaire élastique en premier lieu, et par la suite à évoluer pour devenir non linéaire. Ces développements numériques sont réalisés dans le logiciel Abaqus/ Explicit. Dans un second temps le modèle développé est utilisé dans le cadre de simulation de l'étape de préformage des renforts secs. A ce titre un démonstrateur expérimental développé dans le cadre de la thèse sert à obtenir des résultats expérimentaux pour corréler ces travaux de simulations. Des comparaisons avec des simulations mono-couche, hémisphérique, permettre de mettre en évidence l'influence des paramètres de simulations mises en jeu. Dans le cadre de préformages de plusieurs plis, l'influence des caractéristiques du contact / frottement est mise en évidence. Finalement une procédure d'automatisation afin de rendre la simulation plus ergonomique dans un contexte industriel est présentée. Cette procédure consiste à générer le maillage spécifique et mettre la simulation en donné dans Catia. Les simulations peuvent ainsi se réaliser sans le passage par Abaqus/CAE. / In this work, a discrete approach for the simulation of the preforming of dry woven reinforcementis proposed. A “unit cell” is built using elastic isotropic shells and axial connectors instead of bars and beams used in previous studies. Shell elements are used to take into account the in-plane shear stiffness and to manage contact phenomenon with the punch and die. Connectors reinforce thestructure in the yarn directions and naturally capture the specific behavior of the fabric. To identify the material parameters, uniaxial tensile tests and bias tests have been employed. A numerical algorithm,coupling Matlab and Abaqus/Explicit, is used to determine the shear parameters by an Inverse method. The model has been implemented in Abaqus to simulate hemispherical stamping.Experimental results are compared to numerical simulations, good agreement between both resultsis shown for the case of single layer forming.This model has been then used to simulate a multilayer performing and a numerical study of the effect of fiction coefficient has been performedFinally a tool which interfaces a CAD Software to the Abaqus/code has been developed.

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Cette thèse traite la fabrication de pièces composites par le procédé " Resin Transert Molding " (RTM), appliquée à des tubes de protections thermiques assemblées dans des propulseurs de systèmes d'armes. Ces travaux ont pour objectif de démontrer la faisabilité d'utilisation de ce procédé pour la fabrication de ces pièces complexes. C'est le préformage, première étape du procédé de fabrication par RTM, qui est étudié dans le cadre de cette thèse. Cette étape est cruciale du point de vue de la faisabilité de l'étape d'injection qui la suit dans le procédé RTM mais aussi pour s'assurer de la qualité de la pièce composite finale obtenue. L'objectif des travaux de thèse est triple. Il faut tout d'abord développer le protocole de fabrication répétable adapté pour garantir l'obtention de préformes conformes. Ce protocole devra être viable du point de vue industriel. Pour cela, une démarche expérimentale a été mise en place. Un pilote de laboratoire puis un pilote industriel ont permis de comprendre et maitriser les phénomènes survenant en cours de préformage en faisant varier les paramètres procédé pour la fabrication de nombreux prototypes. Un modèle macroscopique prédictif de la forme globale des plis obtenus à partir des paramètres procédés a été développé à l'aide des observations expérimentales. Un modèle mésoscopique, à l'échelle de la maille élémentaire, a été écrit également. Il permet de prédire, à partir des données constitutives du matériau et d'une géométrie de pièce, la déformation de compaction et de cisaillement, modes de sollicitations prépondérants en cours de préformage, subie par le renfort en cours de la première étape du procédé de fabrication. Ces modèles mésoscopique et macroscopique couplés permettent le développement d'un outil global qui, de manière théorique et prédictive, assure la faisabilité d'une pièce de géométrie connue avec un matériau connu et fournit les paramètres " procédé " optimum pour assurer sa fabrication future. Les phénomènes de déformation en cisaillement et compaction apparaissant sur la tresse en cours de préformage sont donc identifiés et connus. Le procédé de fabrication est optimisé et l'outil prédictif permet d'envisager et tester en amont un changement de matériau, de géométrie de pièce à fabriquer ou de cahier descharges industriel.