La technologie de tissage 3D a été développée comme une réponse à la faible résistance au délaminage des structures de composite stratifiées en insérant des renforts fibreux dans l’épaisseur de la structure. Pourtant, cette technologie ne permet pas de positionner des fibres dans le plan autre que dans les directions à 0° et 90°. Cela implique de faibles résistances au cisaillement dans le plan. Pour cela une technologie de tissage 3D multiaxial a été développée permettant une insertion de fils dans d’autres orientations du plan. Dans cette thèse, une nouvelle technique dédié à produire des préformes 3D multiaxial tissées avec la possibilité de contrôler l’ordre des couches est présentée. Les paramètres des fils constitutifs et de la cellule unitaire des échantillons fabriqués sont mesurés avec l’investigation de la géométrie des fils (section et trajectoire) au sein de la structure. Associé à ces développements expérimentaux, un modèle géométrique, en tant qu’outil de conception permettant de décrire les préformes élaborées, a été développé. Cette modélisation géométrique permet de générer un VER, à l’échelle mésoscopique de la structure. Afin d’évaluer l’influence de ces préformes 3D sur les caractéristiques mécaniques, une chaîne numérique par éléments finis a été mise en place afin de calculer le comportement élastique équivalent. Les résultats sur les propriétés élastiques permettent de quantifier l’apport des fils dans le plan, comparativement aux structures 3D tissées. L’influence de l’ordre des couches dans l’épaisseur est également mis en évidence sur la minimisation des contraintes interlaminaires sur les dans le composite. / 3D weaving technology is developed in response to the poor delamination resistance of laminated composite structures by insertion through the thickness fiber reinforcements. However, this technology is limited relatively to a possibility to insert in-plane yarns oriented other than 0° and 90°. This results in reduction of the in-plane off axis tensile properties and the in-plane shear resistance. Therefore, 3D multiaxis weaving technology has been developed in order to enable this insertion. In the thesis, a novel technique able to produce 3D multiaxis woven preforms is presented with the possibility to control the sequencing of yarn layers. The constitutive yarns and unit cell parameters of the produced samples have been measured with investigation of yarns geometry (cross section shape and path) within the structure, by analyzing the captured micrographs for the samples cross section. Predictive geometrical model has been developed. This model is indispensable design tool providing approximate estimation of the geometrical properties of the dry preforms and composites. Moreover, a geometric modeling approach is improved helping to construct an RVE of this structure as accurate as possible based on the elaborated geometrical characterization. Based on the developed RVE, a mechanical modeling has been also improved and completed using the finite element method serving firstly, to evaluate the bias yarns effect on the elastic stiffness and in-plane off-axis properties in comparison with equivalent 3D orthogonal woven composite. Secondly, it helps to investigate the influence of the in-plane layers sequence on the induced interlaminare stresses at the composite free edges.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont issus de la collaboration entre les partenaires du projet MAPICC3D intitulé : "One-shot Manufacturing on large scale of 3D up graded panels and stiffeners for lightweight thermoplastic textile composite structures". MAPICC3D est un projet de recherches financé par le programme Européen de recherche et d’innovation "FP7". L’objectif du programme de recherches MAPICC3D est de développer des matériaux et procédés permettant de produire des pièces composites thermoplastiques en réduisant les coûts de fabrication jusqu’à 25% par rapport à l’état de l’art et en augmentant les cadences de fabrication jusqu’à 30%. Dans le cadre du projet MAPICC3D, les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectif de mieux comprendre le comportement des tissus 3D interlocks chaines lors des étapes de mise en forme et de consolidation de pièces en matériaux composites renforcés de structures tissées 3D interlock chaine. La compréhension des phénomènes rencontrés lors de ces étapes permet ensuite d’optimiser les structures au niveau local et global dans le but de répondre aux différentes problématiques de mise en forme rencontrées, permettant ainsi des améliorations de la qualité des pièces composites finales développées pour les applications AUTO-MAPICC, TRUCK-MAPICC, RAIL-MAPICC et AERO-MAPICC, et donc de leur tenue mécanique. / The work presented in this manuscript results from collaboration between the partners of project MAPICC3D entitled: "One-shot Manufacturing on large scale of 3D up graded panels and stiffeners for lightweight thermoplastic textile composite structures". MAPICC3D is a research project financed by the European research and innovation program "FP7". The objective of the project MAPICC3D is to develop materials and processes making it possible to produce thermoplastic composite parts by reducing the manufacturing costs up to 25% compared to the state of the art and by increasing the production rates up to 30%. In the framework of the project MAPICC3D, the work presented in this manuscript aim to better understand the behaviour of 3D warp interlock fabrics to forming and consolidation processes of fibre-reinforced composite material parts made of 3D warp interlock structures. The comprehension of the phenomena met at these steps then makes it possible to optimize the structures at the local and global level with an aim of answering the various problems of forming met, thus allowing improvements of the quality of the final composite parts developed for AUTO-MAPICC, TRUCK-MAPICC, RAIL-MAPICC and AERO-MAPICC applications, and thus of their mechanical behaviour.

La technique du tissage consiste à créer un entrecroisement de fils perpendiculaires entre eux. Pour cela, il est nécessaire d'insérer un fil de trame à travers une nappe de fils de chaîne parallèles. L'étape de formation de la foule, consistant à séparer la nappe de chaîne pour libérer un espace d'insertion, est vecteur d'interactions interfilamentaires et de dommages induits dans la structure filamentaire. Un tel phénomène, rapporté au tissage de renforts de matériaux composites produit des dégradations de structure importantes et une diminution sensible des propriétés mécaniques du produit fini. Dans le contexte de la croissance du marché des matériaux composites haute performance à renforts tissés, il est nécessaire d'améliorer puis de maîtriser le procédé de tissage. Ainsi, pour optimiser le tissage d'étoffes multicouches à haute densité, nous disposons d’une machine Jacquard. Il s'agit d'une technique qui permet un pilotage individuel motorisé des fils de chaîne et qui offre des paramètres de foule particuliers. Le but de ces travaux sont d'étudier ces paramètres d'une part et de définir et analyser leurs effets sur le processus de tissage par ailleurs. Nous utilisons pour ces travaux du polyester multifilamentaire, ainsi qu'un dispositif de tissage particulier adapté au tissage technique multicouches. Nous constatons que le tissage multicouches de forte densité génère de nombreux frottements interfilamentaires qui dégradent les fils en provoquant de la fibrillation. L'observation de l'évolution de ce phénomène selon les différents paramètres Jacquard, permet tout d'abord de mieux le comprendre et le cerner. Elle permet ensuite de déterminer les configurations de tissage optimales pour assurer la qualité du tissage de renforts tissés. / Weaving basic structure is an orthogonally interlaced yarns plane, produced thanks to weft insertion across parallel warp yarns. Shedding is a major step for shed generation by warp yarns separation. Shedding may generate warp yarns interactions and yarn structure degradations because of density. Such a phenomenon becomes major with composite high density woven reinforcement where degradations and final product mechanical properties loss may become considerable. With high performance composites market growth, weaving process needs to be improved.A Jacquard shedding mechanism has been employed for high density multilayer woven fabric weaving optimization, as this technique enables warp yarns individual motorized driving with very particular shedding parameters. In this research, Jacquard shedding parameters have been studied so that their effects on the weaving process may be brought to light, with a specific weaving machine dedicated to multilayer weaving, where polyester multifilament yarns are used.It has been observed that high density multilayer weaving produces friction and many degradations during shedding between filaments because of the fibrillation phenomenon. Fibrillation has been examined and understood thanks to the observation of its evolution according to Jacquard shedding parameters. It has been the basis for optimal weaving parameter configurations which may be used for woven reinforcements composites quality improvement.

L'industrie aéronautique doit faire face aux nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction de la consommation des énergies fossiles. L'utilisation de matériaux composites plus léger permet de répondre en partie à cette attente. Pour limiter les coûts lors de la fabrication et du développement des composites à renforts tissés 3D, il est nécessaire d'utiliser des outils de simulation performants. En particulier, les outils existants, qui discrétisent à une échelle mésoscopique l'architecture des tissus 3D, ne tiennent pas compte de l'influence du procédé de fabrication sur la constitution de la structure textile. Si des outils numériques dédiés à la modélisation du procédé de tressage et de tricotage sont disponibles, il n'en est rien concernant le tissage. Cette étude avait donc pour but de s'intéresser plus particulièrement à la simulation du prodécé de tissage pour pouvoir obtenir une structure de tissu sèche déformée numériquement. La production de différentes architectures de tissu en verre E dans notre laboratoire nous a permis d'observer les différents éléments en contact avec le fil ou le tissu sur la machine à tisser, par le biais de l'utilisation d'une caméra rapide par exemple. Le développement d'un modèle numérique par éléments finis reproduisant le procédé de tissage a été réalisé. Une loi de comportement isotrope transverse fut utilisée pour modéliser les fils de verre. Des premières simulations numériques encourageantes pour la fabrication d'un tissu d'armure toile et d'un tissu d'armure croisé 2-2 sont présentées et comparées avec les tissus réels produits correspondants. / The aeronautical industry faces new challenges regarding the reduction of fossil fuel consumption. One way to address this issue is to use lighter composite materials. The ability to predict the geometry and the mechanical properties of the unit cell is necessary in order to develop 3D reinforcements in composite materials for these aeronautical applications. There is a difficulty to get realistic geometries for these unit cells due to the complexity of their architecture. Currently, existing tools which model 3D fabrics at a meso scale don't take into account manufacturing process influence on the shape modification of the textile structure. There is already some numerical tools that can model the braiding or knitting process, but none have been developed for weaving so far. Consequently, this study deals with the numerical simulation of the weaving process to obtain a deformed dry fabric structure. During the weaving process of E-glass fabrics, achieved in our laboratory, it has been observed that large deformations led to the modification of transverse section of meshes, or local density changes, that can modify the fabrics mechanical resistance. For this reason, a numerical tool of the weaving process, based on finite element modelling, has been developped to predict these major deformations and their influences on the final textile structure. The correlation between numerical results and fabrics produced with glass fibres has been achieved for plain weave and 2-2 twill.