En aéronautique, l'élaboration via des pré-imprégnés n'est pas toujours adaptées àla fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Desprocédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que leResin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d'infusion de résine, comme le LiquidResin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10%des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM,les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindredes pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèlesmécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Parcontre, les procédés d'infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles,par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Parconséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites etmoyennes entreprises car les investissements sont plus faibles par rapport à d'autresprocédés de fabrication.Les procédés par infusion de résine LRI ou RFI sont basés sur l'écoulement d'unerésine liquide (pour RFI, après le cycle de température, la résine solide obtenir son étatliquide) à travers l'épaisseur d'un renfort fibreux sec dénommé préforme.L'optimisation du procédé est difficile à réaliser car le volume de la préforme changefortement pendant le procédé car elle est soumise à une pression extérieure et qu'il n'ya pas de contre-moule. Pour optimiser les paramètres de fabrication des matériauxcomposites par infusion de résine, il est nécessaire de mettre en oeuvre un modèlenumérique. Récemment, une modélisation de l'écoulement d'un fluide isotherme dansun milieu poreux compressible a été développée par P. Celle [1]. Avec ce modèlenumérique, nous avons simulé des cas test en 2D pour des géométries industriellesclassiques. Pour valider ce modèle numérique, des essais d'infusion d'une plaque par leprocédé LRI dans des conditions industrielles ont été réalisés. D'une part, la simulationnumérique permet de calculer le temps de remplissage, l'épaisseur de la préforme et lamasse de la résine durant l'infusion. D'autre part, nous avons suivi de procédéexpérimentalement par des micro-thermocouples, la fibre optique et la projection defranges. Un des points clefs de l'approche expérimentale est que l'écoulement de larésine et le comportement de la préforme dépendent intrinsèquement de paramètres quiévoluent pendant l'infusion de la résine, tels que la variation de l'épaisseur, le temps deremplissage et le taux volumique de fibres, via la perméabilité. Enfin, une comparaisonentre les résultats expérimentaux et la simulation numérique permet de valider lemodèle numérique. Cette confrontation des résultats permettra de mettre en lumière lesdifficultés et les limites de ce modèle numérique, afin d'améliorer les futurs modèles.De plus, ces deux approches constituent un bon moyen d'étudier et d'approfondir nosconnaissances sur les procédés d'infusion de résine, tout en développant un outil desimulation indispensable à la conception de pièces composites avancées.

Ces travaux concernent l’étude numérique et expérimentale d’un panneau composite autoraidi fabriqué par le procédé d’infusion de résine (Liquid Resin Infusion LRI). Le procédé LRI permet d’intégrer des structures sur les peaux d’un panneau représentatif d’un fuselage composite. Dans l’étude numérique, des modèles éléments finis sont réalisés, pour étudier le comportement global du panneau en post-flambement. Cela permet de mettre au point un dispositif d’essai. L’approche expérimentale consiste en l’application de différentes méthodes pour contrôler la pièce et réaliser l’essai. Des essais de caractérisation sont aussi réalisés pour obtenir les propriétés mécaniques nécessaires à l’élaboration de modèles numériques locaux, permettant de décrire la décohésion des structures intégrées. / These works are related to the numerical and experimental study of a composite stiffened panel, which is manufactured by a resin infusion process (Liquid Resin Infusion LRI). This manufacturing process allows structures to be integrated onto the skins of a panel being representative of a composite fuselage. Finite element models are built along with the numerical study, in order to deal with the post-buckling global behaviour of this panel. This leads to perfect a test set-up addressed during the experimental investigation. Several experimental methods are used to check the test panel and achieve the test. Material properties are also determined through material testing intended for the development of local numerical models, describing the integrated structures decohesion.

Les procédés d’élaboration de pièces composites par infusion de résine, malgré leurs nombreux avantages, peinent à s’imposer dans les phases de production industrielle en raison de difficultés pour les maitriser. Ainsi, en partenariat avec ESI Group, un modèle complet pour la simulation de ces procédés est développé à l’ENSM-SE depuis les travaux précurseurs de P. Celle.Nos travaux portent sur la généralisation de ce modèle afin de traiter des cas, ainsi que sur son extension à la simulation des écoulements « post-infusion ». L'approche repose sur un découpage du domaine en trois zones (drainant, préformes imprégnées, préformes sèches) consistant ainsi à coupler un écoulement de Stokes dans le drainant à un écoulement de Darcy dans les préformes. De plus, l'influence mutuelle de la résine sur le comportement des préformes et de la déformation des préformes sur la perméabilité est considérée, à travers la loi de Terzaghi et des lois exprimant la perméabilité en fonction de la fraction de fibres, paramètre accessible uniquement dans une approche 3D mécanique couplée. Enfin, le procédé est découpé en trois phases : compression initiale des préformes sèches, remplissage et « post-infusion ». Les méthodes numériques, développées dans ces travaux, s'appliquent à des cas réels d'infusion souvent mis de côté dans les publications récentes car inaccessibles, impliquant des perméabilités très faibles (~10-15 m²), un drainant fin (~1 mm) et des géométries complexes.Cette approche innovante a été implémentée dans un code de calcul industriel (ProFlotTM), validée analytiquement sur des cas tests et expérimentalement sur des cas industriel dans le cadre du projet européen INFUCOMP. / Composite manufacturing processes by resin infusion, despite their many benefits, struggle to establish themselves in the industrial production phases due to difficulties to control them. So, in partnership with ESI Group, a comprehensive model for the simulation of these processes is developed at the ENSM-SE since the pioneering work of P. Celle.Our work focuses on the generalization of this model to handle complex industrial cases in three dimensions, as well as its extension to “post-infusion” flow simulation. The approach is based on three domains decomposition of the field (Distribution medium, impregnated preforms, dry preforms) consisting in coupling a Stokes flow in the distribution medium with a Darcy flow in the preforms. In addition, the mutual influence of the resin on the preforms and of the preforms deformation on the permeability is considered, through Terzaghi’s law and models expressing the permeability as a function of the fibre fraction, data only accessible with a 3D coupled mechanical approach. Finally, the process is divided into three phases: initial compression of dry preforms, filling and “post-infusion”. The numerical methods developed in this work, apply to real infusion cases often discarded in recent publications, involving very low permeability (~10-15 m²), thin distribution medium (~ 1 mm) and complex geometries (3D curved).This innovative approach has been implemented in an industrial simulation code (ProFlotTM), validated analytically over test cases and experimentally over industrial cases in the European project INFUCOMP.

Global competition is pushing the composites industry to advance and become more cost effective. Liquid Composite Molding or LCM is a family of processes that has shown significant promise in its potential to reduce process times and cost while maintaining high levels of part quality. However, the majority of research and information on composite processes have been related to prepreg-autoclave processing which is significantly different than LCM. In order for LCM processes to gain large scale implementation, significant research is required in order to model and simulate the unique nature of the resin infusion process. The purpose of this research is to aid in the development of in situ void measurement and characterization during LCM processing, particularly for carbon fiber composites. This will allow for the gathering of important empirical data for the validation of models and simulations that aid in the understanding of void formation and movement during LCM. For such data to be useful, it needs to include details on the formation, mobility and evolution of the void over time during infusion. This was accomplished by creating a methodology that allowed for in situ images of voids to be captured during the infusion process. A clear mold was used to visually monitor infusions during RTM with UV dye and lighting to enhance contrast. Consecutive images were acquired through the use of macro lens photography. This method proved capable of yielding high quality images of a variety of in situ voids during infusions with carbon fiber composites. This is believed to be the first instance where this was accomplished. A second methodology was then developed for the analysis of the collected images. This was done by using ImageJ software to analyze and process the acquired images in order to identify and characterize the voids. Success was found in quantifying the size and circularity of a wide range of micro and macrovoids in both a satin weave and double bias NCF woven fabrics. To facilitate the burden of collecting large amounts of data, this process was made to be automated. A user generated macro script could be applied to large sets of images for rapid processing and analysis. This automated method was then evaluated against manually processed images to determine its overall effectiveness and accuracy as tool for validating void theory.

L’objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation du couplage hydromécanique, existant entre la déformation de la préforme fibreuse et l’écoulement de la résine, et par la suite à la simulation des procédés d’infusion. La méthode de résolution numérique déployée dans ce cadre est de type éléments finis avec volumes de contrôles (CVFEM) formulée en 2D½. Une nouvelle approche de modélisation de procédé d’infusion est proposée. Dans cette méthode, nous avons introduit des éléments 1D qui traduisent l’écoulement transverse. Cette approche permet de surmonter la difficulté numérique relative à l’usage des éléments finis volumiques pour un calcul 3D, notamment pour simuler la mise en œuvre des pièces industrielles de grandes dimensions. Le modèle fait appel à des lois de comportements caractérisées expérimentalement et qui permettent de tenir compte de l’évolution de la perméabilité et la compressibilité du milieu fibreux au cours de l’infusion. Diverses confrontations entre le modèle numérique proposé, des méthodes analytiques et expérimentales ont été menées. Une application du modèle dans la simulation de l’infusion d’un démonstrateur industriel de géométrie complexe est également réalisée. Les résultats obtenus sont très encourageants et révèlent l’efficacité de l’outil développé dans la simulation du procédé d’infusion / The aim of this work is to model the hydromechanical coupling that exists between the preform compressibility and the resin flow in order to simulate the infusion processes. The numerical method used in this study is based on the Control Volume Finite Elements Method (CVFEM) in 2D½. A new modelling approach of the infusion process is proposed. In this method, we introduced 1D elements to include through-the-thickness flow. This approach allows to reduce the computational time in comparison with full 3D modelling, especially in the simulation of industrial part infusion with large dimensions. The developed model is alimented by behavior laws that we characterized experimentally. These laws allow to take into account the evolution of the permeability and the compressibility of the fibrous medium during the infusion. We validated our model by comparing its results with analytical and experimental data. Additionally, an application of this simulation approach has been carried out to simulate the infusion of an industrial demonstrator with complex geometry. These comparisons show a good agreement between numerical and experimental results and reveal the efficiency of the developed tool in the infusion process simulation.

When laying up dry composite materials and aligning the fibers in the appropriate directions it can be a challenge due to the dryness of the fiber and mold design. Several commercial products are available to help fix plies to molds keeping the proper fiber orientation depending upon mold geometry. Prepreg and wet layups do not have this problem due to the inherent inclusion of a matrix in their manufacturing, dry materials have no added epoxy at the time of layup and are therefore in need of assistance maintain position. The purpose of this research is to determine if Super 77™ or EPON™ 2002 increases or decreases mechanical properties of the neat resin and composite laminates; if the increase or decrease is dependent upon the type of epoxy, and if the amount of applied tackifier can be optimized towards a high or low application quantity to minimize any detrimental effects to mechanical properties. Each tackification agent was applied in high and low concentrations to eight composite panels, with two control panels. The EPON™ was applied manually and set with heat exposure while the Super 77™ was sprayed from an aerosol can. The Super 77™ plies were stacked and pressed by hand while the EPON™ plies were stacked and ironed together to create panels, which were then infused with one of two room temperature infusion epoxies, MVS 610 or INF 114. The panels were then cut to specimen size for testing. Neat resin specimens were cast in silicone molds with high and low concentrations of tackifiers and allowed to cure for 12 hours at room temp, then heated to 60° C for 8 Both Super 77™ and EPON™ 2002 reduced the SBS for both epoxies, but Super 77™ reduced the short beam shear more than EPON™ 2002. The modulus of the neat resin cast specimens with high concentration were between 0 to 20% lower than neat resin with no tackifier; the tensile strength was increased for those specimens with Super 77™ and lower for those with EPON™ 2002. Similarly, the Charpy test resulted in higher values for Super 77™ than for EPON™ 2002. The effects of Super 77™ and EPON™ 2002 are complex and varied depending on application concentration, resin, and tackifier type; but the addition of any tackifier reduces mechanical properties from non-tackified laminates.

Dans ce manuscrit, un modèle complet pour la simulation de l'écoulement d'un fluide thermor éactif à travers un milieu poreux fortement compressible est présenté. Ce modèle est utilisé pour l'étude des procédés d'élaboration des matériaux composites par infusion à travers leur épaisseur (Liquid Resin Infusion-LRI et Resin Film Infusion-RFI ). Dans ces procédés, le mélange entre les renforts et la résine liquide est réalisé dans la direction transverse aux plans des préformes pendant la phase de mise en forme. Les coˆuts sont ainsi réduits et les problèmes de remplissage éliminés. Ces procédés sont néanmoins peu maîtrisés et les caractéristiques de la pièce finale difficilement prévisibles (principalement les épaisseurs et les porosités). La mise au point d'un modèle numérique constituerait un bon outil pour développer et finaliser de nouvelles solutions composites. D'un point de vue physique, l'infusion de la résine à travers l'épaisseur des préformes est une conséquence de la pression appliquée sur l'empilement résine/préforme. Dans cette analyse multi-physique deux types de problèmes sont rencontrés. Tout d'abord, on connait mal les conditions de couplage entre les zones liquides, gouvernées par les équations de Stokes, et les préformes imprégnées assimilées à des milieux poreux, gouvernées par une loi de Darcy et une loi de comportement mécanique non-linéaire. Par ailleurs, les interactions entre l'écoulement de la résine et la compression des préformes ne sont pas bien maîtrisées. Le modèle développé inclut donc une condition de Beaver-Joseph- Schaffman modifiée pour le couplage entre les zones de Darcy et de Stokes. Une formulation ALE pour l'écoulement de la résine dans un milieu poreux déformable subissant de fortes déformations est utilisée et couplée à une formulation Lagrangienne Réactualisée pour la partie solide. Ces deux mécanismes physiques sont couplés à des modèles thermo-chimiques pour traiter la réticulation de la résine sous l'action du cycle de température. Dans ce travail, un certain nombre d'outils numériques et de nouvelles formulations ont été développés en vue de simuler les procédés LRI et RFI. Chaque outil est étudié et validé analytiquement ou numériquement avant d'être intégré dans les modèles LRI /RFI. Des simulations numériques d'infusion sont ensuite présentées et commentées, puis une première comparaison avec des essais expérimentaux est proposée.