Understanding and predicting the deformation of the thermoplastic material during the in-situ consolidation Automated Tape Placement (ATP) process is essential for manufacturing composite laminates exempt of laps and gaps. This thesis describes the experimental and theoretical analyses conducted to characterise the in-situ deformation behaviour of a pre-impregnated carbon/PEEK composite system: APC-2/IM7. A "static" or "steady state" experimental approach was adopted in order to simplify the analysis of the dynamic ATP process. The principal processing parameters were decoupled and studied independently using a specifically designed thermoplastic compaction fixture. Taguchi Design of Experiment (DOE) and Analysis of Variance (ANOVA) were used to determine the influence of each parameter. The results showed that both the compaction pressure and the fibre orientation difference were affecting the material deformations. The processing temperature, in the range under study, was shown to have a negligible impact on the steady state strain. Squeeze flow models were developed to describe the behaviour of the material during the compaction experiments. A model formulation with a slip boundary condition was implemented in order to capture the fibre orientation difference dependency. An inverse method, based on half-interval, was used with the compaction fixture's experimental results in order to determine the material viscosity, and to identify the friction factor. An empirical relation based on a sinusoidal function was proposed to describe this friction factor. The model with slip was then adapted to the ATP manufacturing problem, and predictions were made for in-situ material deformations. Finally, the model was used to construct strain prediction surfaces that could provide guidelines for improving the design of deposition paths, and reduce the amount of manufacturing defects. / Lors de la fabrication de pièces en matériaux composite à l'aide de procédés automatisés de placement de bandes thermoplastiques (ATP), certains défauts, tels la superposition ou la présence d'espaces entres les bandes adjacentes, peuvent apparaître. Afin de produire des laminés exempts de ces défauts de fabrication, il serait essentiel de comprendre et prédire les déformations de ce type de matériaux thermoplastiques destinés à l'ATP. Le présent mémoire décrit les analyses expérimentales et théoriques qui ont été effectuées afin d'étudier les mécanismes de déformations d'un matériau composite à base de carbone pré-imprégné de PEEK: l'APC-2/IM7.Afin d'isoler les phénomènes de déformation du procédé complexe et dynamique qu'est l'ATP, une approche expérimentale dite « statique » ou de « régime permanent » a été adoptée. Grâce à un montage de compaction spécifiquement développé pour l'étude, les principaux paramètres de fabrication ont pu être découplés et analysés. L'influence de chaque paramètre a été déterminée expérimentalement à l'aide de la méthode de Taguchi. L'analyse des résultats par l'approche ANOVA a révélé que la pression appliquée, ainsi que la différence d'orientation entre les différentes couches de fibres affectent la déformation du matériau lors du procédé. De plus, l'analyse a permis d'établir que la température de fabrication, dans la gamme de température étudiée, avait un effet restreint sur les taux de déformation atteint à l'équilibre. Des modèles décrivant l'écoulement du matériau lors de l'écrasement des bandes thermoplastiques ont été développés. Une formulation tenant compte du glissement des bandes est proposée afin de modéliser les dépendances à l'orientation. Une méthode inverse par dichotomie a été utilisée en combinaison avec les résultats de compaction pour déterminer la viscosité effective des bandes de matériau composite. Une méthode similaire a permis d'identifier les coefficients de friction. Une relation empirique, basée sur une fonction sinusoïdale, est proposée afin de décrire l'évolution du coefficient de friction en fonction des différences d'orientation. Le modèle avec glissement a ensuite été adapté au procédé ATP dynamique; les déformations lors du processus de placement ont été prédites. Finalement, les résultats de la modélisation ont été utilisés afin de construire des surfaces prédisant les taux de déformations anticipés en fonction des différents paramètres de fabrication. Ces surfaces peuvent fournir des repères qui permettront d'améliorer la conception des tracés de placement, et ainsi de réduire la fréquence des défauts de fabrication.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.116971 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Gagné Brulotte, Xavier |
| Contributors | Pascal Hubert (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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