Simulation multiphysique : prédire le comportement des composites au cours de leur mise en forme

Comprendre les transferts de chaleur durant la transformation d’un matériau composite est un enjeu de taille pour l’industrie, en particulier pour l’industrie aéronautique. Pour optimiser un procédé industriel existant ou en cours de développement, les industriels ont en effet besoin de prédire le comportement des matériaux. Dans ce but, les experts CAPACITÉS réalisent des simulations multiphysiques de procédés de transformation tenant compte des transferts de chaleur, des transformations chimiques et mécaniques.

Explications avec deux experts CAPACITÉS : Vincent Sobotka, Professeur à Nantes Université, membre de l’équipe « Transferts thermiques dans les matériaux et aux interfaces » du LTeN, et Maxime Villière, Ingénieur R&D auprès de CAPACITÉS, Docteur en Énergétique et Génie des procédés, spécialité Thermique.

En résumé

Mots Clés :

ThermiqueMatériaux compositesPolymèresSimulation numériqueÉCHANGES DE CHALEURBancs expérimentauxINSTRUMENTATION

Quelles informations pouvez-vous obtenir sur un matériau composite avec la simulation multiphysique ?

M. Villière La simulation multiphysique couple toutes les physiques à l’œuvre au cours d’un procédé industriel : thermique, mécanique et transformation chimique. À partir de cette vue d’ensemble d’une pièce, nous délivrons à l’industriel les informations dont il a besoin pour mettre au point ou optimiser un procédé : la température au cœur de la pièce et au sein de l’outillage, l’évolution de la température au cours du temps et dans les différentes zones de la pièce, la chaleur libérée par les résines lors des réactions de polymérisation, l’état d’avancement d’une réaction chimique au cours du procédé, les déformations de la pièce… Plus un industriel maîtrise la température en tous points de son matériau et à tous instants, mieux il contrôle la qualité de sa pièce finale.

Quels sont les prérequis à la réalisation d’une simulation multiphysique ?

M. Villière La fiabilité des données est cruciale. Sans cela, aucun crédit ne pourra être donné aux résultats de la simulation.

D’une part, la CAO (Conception Assistée par Ordinateur) de la pièce doit être suffisamment détaillée. Elle peut être réalisée par le client ou par nos soins.

D’autre part, nous avons besoin de connaître les conditions de transformation de sa pièce et de son moule pendant le cycle de cuisson : la masse volumique, la chaleur spécifique et la conductivité thermique. Ces propriétés peuvent être difficiles à caractériser.

En quoi la caractérisation de ces propriétés est-elle complexe ?

V. Sobotka Constitués de fibres et d’une matrice thermodurcissable ou thermoplastique, les matériaux composites sont complexes par nature. Ils sont hétérogènes et anisotropes. En outre, lors de leur mise en œuvre la matrice subit un changement d’état. La caractérisation de leurs propriétés thermiques, notamment les conductivités thermiques, est donc complexe car elles dépendent de l’espace, de la température, mais également de l’état de transformation du matériau.

Pour les matériaux hautes performances, la complexité réside dans la température très élevée du procédé. Dans l’aéronautique par exemple, les composites à matrice thermoplastiques peuvent être transformés aux alentours de 400°C dans le cas des PAEK. La mise en place de bancs instrumentés à ces températures devient délicate.

De fait, caractériser les propriétés des composites requiert une forte expérience en instrumentation. D’autant plus que le développement d’un banc à façon s’avère souvent nécessaire. Un de nos client, équipementier aérospatial, souhaitait par exemple caractériser la conductivité thermique de composites à matrice thermoplastique dont la fusion est aux alentours de 400°C. Aucun banc de mesure ne répondait à son besoin, nous l’avons donc développé. De la même manière, nous avons fabriqué pour un autre client un moyen de mesure spécifique pour caractériser la résistance thermique d’interposeur de très faible épaisseur.

Au-delà de cette mise en données du procédé de transformation, quels savoir-faire nécessite la simulation multiphysique ?

M. Villière Nous avons vu que les matériaux composites sont complexes. Les structures des pièces et les procédés de nos clients le sont tout autant. Avant de réaliser une simulation multiphysique, nous réduisons la complexité des équations soit en définissant des symétries, soit en faisant des hypothèses sur les échanges de chaleur. L’objectif est de décrire correctement le procédé du client sans avoir à le simuler systématiquement en intégralité, afin de réaliser la simulation dans un temps raisonnable.

Je vous donne un exemple. Un producteur de bougie haut de gamme nous a confié la simulation multiphysique d’un procédé de refroidissement de bougies. Celles-ci sont refroidies dans un verre, posé sur un tapis refroidissant qui est lui-même exposé à des buses d’air refroidissantes. Nous avons simplifié la mécanique des fluides d’air avant de simuler le procédé sur le logiciel COMSOL.

Sur quoi vous basez-vous pour faire des hypothèses sur les échanges de chaleur ?

V. Sobotka Cela nécessite une bonne connaissance des procédés thermiques en général et du procédé particulier du client. Le laboratoire LTeN travaille depuis trente ans sur les procédés de transformation des composites et polymères. Les équipes du LTeN et de CAPACITÉS sont souvent impliquées dans la recherche et développement de nouveaux procédés. Nous nous appuyons sur cette expérience et sur l’observation du procédé du client pour déterminer la meilleure stratégie lors de la simulation multiphysique.

Comment vérifier la véracité de la simulation ?

V. Sobotka Nous pouvons valider une simulation par l’instrumentation de la pièce. Après avoir simulé le procédé de refroidissement des bougies par exemple, nous avons vérifié en réalisant les mesures en laboratoire que les résultats de la simulation étaient concordants avec la réalité.

 

Pouvez-vous nous donner un exemple de défi technologique relevé par la simulation ?

M. Villière L’une des problématiques actuelles sur les composites est l’assemblage de deux pièces de grandes longueurs de manière continue. Le Groupe Institut de Soudure et le Groupe Arkema ont breveté un procédé de soudage de composites par induction indirecte (ISW). La technologie repose sur le déplacement d’une lame chauffée à l’interface de deux substrats à assembler. Cette technologie est dynamique et fait donc intervenir de nombreux paramètres physiques qu’il y a lieu de considérer dans le cadre d’une modélisation.

La simulation multiphysique demeure un outil nécessaire qui permet d’optimiser la qualité du procédé et d’identifier les paramètres à modifier. Réalisée en parallèle des développements technologiques expérimentaux, elle permet d’améliorer la réactivité des études, d’orienter les axes de développement et ainsi de mieux comprendre les phénomènes. Grâce à la simulation multiphysique, l’industriel peut notamment limiter le nombre d’essais et, par conséquent, la consommation de matière.

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