Continuous welding modeling of thermoplastic matrix composites
Modélisation du soudage en continu de composites à matrice thermoplastique
Résumé
The automated two placement process developed in the aircraft industry is an emerging technique for manufacturing continuous fiber-reinforced thermoplastic parts. Our objective is to understand the physical mechanisms taking place in the APC-2 (carbon/PEEK) welding phenomenon in order to model and improve the process. The originality of the study was to develop a process thermal model at a macroscopic scale and simultaneously to deeply study phenomenon at a macromolecular scale. The 2D thermal model enables to simulate the ply consolidation whatever the process parameters. It takes into account heat transfers via conduction and convection plus melting and crystallisation phenomena whose kinetics were determined experimentally. Concerning macromolecular chains dynamics, reptation time relative to chain diffusion at the interface was approached by rheological tests. It has been shown that PEEK thermal degradation mechanism is mainly crosslinking; the crosslinking kinetics has been followed by ageing rheological tests. The coupling of these studies enables to predict the consolidation efficiency and to determine a good welding zone in the Time-Temperature process window. These simulations are compared to mechanical tests relative to the welded interface. Hence, we defined limits imposed by antagonist physical phenomena for this in-situ consolidation and understood how to ameliorate the process for a better welding.
Nos travaux se sont intéressés au soudage de matériaux composites à matrice thermoplastique avec une application au cas particulier du procédé de consolidation en continu "Drapcocot" développé dans l'industrie aéronautique. L'objectif est de comprendre les mécanismes physico-chimiques qui interviennent lors de la consolidation du matériau APC-2 (fibres de carbone/PEEK) afin de pouvoir modéliser puis optimiser le procédé. Dans cette perspective, l'originalité de l'étude a été de développer une modélisation thermique du procédé à l'échelle de la pièce composite et de mener simultanément une étude approfondie des phénomènes à l'échelle macromoléculaire: diffusion des chaînes, cristallisation et dégradation thermique du PEEK. En couplant ces différentes approches, nous sommes désormais capables de prédire l'efficacité de la consolidation en fonction des paramètres du procédé. Dans le diagramme Temps-Temérature du procédé, les limites imposées par les différents phénomènes physiques antagonistes sont données par des courbes «iso-diffusion» et «iso-dégradation». Ces simulations ont été confrontées aux expériences en terme de tenue mécanique de l'interface soudée. Cette cartographie du soudage en continu nous a permis d'expliquer dans quelle voie l'amélioration du procédé doit se faire pour que la consolidation soit optimale. Le modèle développé peut être étendu à d'autres systèmes de chauffe ou d'autres matériaux.