Dans l’optique de la recherche de la performance des matériaux et de la maitrise des processus industriels de transformation, ce travail a pour objet l’étude expérimentale et la modélisation de l’écoulement des composites thermoplastiques dans les conditions industrielles de mise en forme par injection.La première partie traite de l'étude expérimentale dans les conditions industrielles de mise en forme par injection, du comportement rhéologique et de l’étude de l’écoulement, dans des géométries simples, des composites en polypropylène renforcé de fibres de verre courtes. Dans un premier temps nous avons mis en évidence l'influence des paramètres thermomécaniques de transformation par injection sur la viscosité et l’élasticité des différents matériaux à l’aide d’un rhéomètre en ligne. Ces essais ont montré que la viscosité des composites à l’état fondu évoluait, d’une manière non linéaire, en fonction de la température, le taux de cisaillement et le taux de fibres. Cette partie est complétée par une analyse des pertes de charges dans des conditions non isothermes. Par ailleurs, les résultats des mesures rhéologique, nous ont permis de déterminer une loi de comportement rhéologique thermodépendante du composite à différents taux de fibres. Cette loi nous a servi à la simulation de la phase de remplissage de l’empreinte du moule au cours du cycle de moulage par injection. Dans la seconde partie, nous présentons une étude expérimentale à la fois qualitative et quantitative de la distribution et de l’orientation des fibres au cours des différentes phases du moulage par injection. Nous avons mené une étude expérimentale de la distribution des longueurs des fibres au cours de la phase de plastification. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence l’incidence de certains paramètres de réglage de la presse sur la casse des fibres et situer les endroits critiques de la dégradation des fibres. Ensuite, nous avons réalisé une étude expérimentale approfondie de la distribution et de l'orientation des fibres dans des plaques injectées, en fonction des conditions d'injection, de la composition du matériau composite et de la géométrie de la pièce.Nous avons mis en évidence, la formation dans l’épaisseur de la plaque, d’une structure “coeur-peau” à cinq couches avec une couche centrale orientée transversalement à la direction d’écoulement, de deux couches intermédiaires orientées principalement dans la direction d’écoulement et enfin de deux couches de peau légèrement moins orientées que les couches intermédiaires. Les épaisseurs des ces couches varient en fonction des conditions d’injection (températures, vitesses).La dernière partie traite la simulation numérique de la phase de remplissage du processus de moulage par injection des composites en PP/FV, basé sur une loi de comportement rhéologique déduite de l’expérimentation. Nous nous sommes intéressés particulièrement à la prédiction de l’orientation des fibres de verre courtes dans une plaque rectangulaire injectée, en fonction des conditions d'injection (températures, pressions, et vitesses), de la composition du polymère et de la géométrie de la pièce. D’autre part, Nous avons mis en évidence d’influence des paramètres d’injection sur l’évolution de la pression, la température et la vitesse moyenne d’écoulement dans l’empreinte du moule. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures expérimentales.

Les matériaux composites constituent de nos jours, de par leurs propriétés très prisées, des matériaux incontournables dans plusieurs secteurs industriels telles les industries aéronautique, automobile et navale. Bien que les applications industrielles aient été axées durant des décennies sur les matériaux composites à matrices thermodurcissables, les composites thermoplastiques à renforts continus connaissent actuellement un grand essor. Dans ce sens, des recherches considérables ont été menées sur la modélisation du comportement des matériaux thermoplastiques chargés de fibres continues à température ambiante. Cependant, la modélisation du comportement de ces matériaux à hautes températures et dans les conditions de mise en forme demeure une problématique d'actualité et relativement peu étudiée. Ce travail de thèse se veut une contribution à la modélisation du comportement des composites thermoplastiques à renforts continus dans les procédés de mise en forme. Deux directions de recherches ont été explorées. La première direction consiste à développer une loi constitutive viscoélastique orthotrope pour les milieux incompressibles, et sous l'hypothèse d'un processus isotherme. Dans cette optique, on se propose d'exploiter la théorie du modèle K-BKZ, destiné à la rhéologie des fluides viscoélastiques isotropes, pour une extension aux cas orthotrope et transversalement isotrope. Les tenseurs d'orientation des fibres sont introduits comme arguments de la fonctionnelle densité d'énergie libre pour tenir compte de la symétrie matérielle. La réponse du milieu est formulée en considérant les apports des constituants du milieu, pris séparément, augmentés de la réponse due aux interactions entre la résine et les fibres. Ce faisant, la densité d'énergie libre sera décomposée en un produit d'une fonction mémoire, responsable de la relaxation, et d'une fonction des déformations, laquelle a été scindée en la somme de quatre composantes : i) une fonction rendant compte du comportement de la matrice, ii) une composante responsable de la réponse de la première famille de fibres, iii) une composante responsable de la seconde famille de fibres et iv) une fonction rendant compte des interactions matrice-fibres. La seconde direction vise l'étude du phénomène de l'endommagement susceptible de toucher les composites thermoplastiques à renforts continus dans des conditions proches de celles de la mise en forme. Dans cette perspective, une loi constitutive hyperélastique orthotrope avec endommagement sera proposée. On fait appel à une approche thermodynamique classique, basée sur l'existence d'un potentiel d'énergie libre duquel découle le tenseur de contraintes, et au principe de la contrainte effective, bien connu de la théorie de l'endommagement. À l'instar du modèle viscoélastique orthotrope, la fonctionnelle densité d'énergie libre sera décomposée en la somme de quatre composantes responsables des réponses de la résine, des deux familles de fibres et des interactions matrice-fibres. Pour introduire le phénomène de l'endommagement, on associe à chaque constituant du milieu (i.e. les fibres et la résine) une variable d'endommagement isotrope. Chacune de ces variables est associée à la composante de l'énergie libre rendant compte du comportement du constituant qu'elle caractérise. Une loi d'évolution de l'endommagement isotrope est également associée à la composante de l'énergie libre responsable des interactions matrice-fibres. Les hypothèses d'un milieu incompressible et d'un processus isotherme ont été notamment retenues. Une campagne d'essais expérimentaux, axée sur des essais de traction dans les directions 0°/90° et ±45°, a été réalisée pour caractériser l'endommagement d'une classe de composite thermoplastique à renforts continus. Les résultats de ces essais ainsi que ceux rencontrés dans la littérature ont été exploités afin de réaliser une procédure d'identification inverse visant à tester l'aptitude des modèles de comportement proposés à reproduire des résultats expérimentaux. Des simulations par éléments finis de la mise en forme d'un composite thermoplastique à renforts continus ont été réalisées. Les résultats obtenus montrent que les modèles utilisés reproduisent des résultats physiquement admissibles et en concordance avec des observations expérimentales.

BIBLIOGRAPHIE. ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INJECTION. MODELISATION : PROBLEMES GEOMETRIQUES; MODELISATION DE L'ECOULEMENT DANS UN MOULE DE GEOMETRIE SIMPLE ET CONDITIONS AUX LIMITES; PROBLEMES LIES A L'ASSEMBLAGE DE GEOMETRIES ELEMENTAIRES; TESTS NUMERIQUES ET EXEMPLES DE RESULTATS. CONFRONTATION CALCUL-EXPERIENCES. ETUDE DE CAS : CHOIX DU MOULE, DU POLYMERE, DES CONDITIONS TESTEES ET DES CRITERES A RESPECTER; DETERMINATION DES CONDITIONS D'INJECTION OPTIMALES; EQUILIBRAGE DU REMPLISSAGE

L'INJECTION BIMATIERE DES POLYMERES THERMOPLASTIQUES EST UN PROCEDE DE MISE EN FORME QUI PERMET DE REALISER DES PIECES DE CONFIGURATION SANDWICH. LES DEUX MATIERES S'ECOULENT SEQUENTIELLEMENT DANS LE MOULE. LA PREMIERE INJECTEE CORRESPOND A LA PEAU, ELLE RECOUVRE TOUTE LA SURFACE EXTERNE DE LA PIECE ET ENROBE LA SECONDE QUI EN FORME LE CUR. UN CHOIX JUDICIEUX DE CHACUN DES POLYMERES PERMET D'AMELIORER LES PROPRIETES ET LES PERFORMANCES DE LA PIECE. MAIS C'EST L'UTILISATION DE POLYMERES RECYCLES EN CUR QUI OUVRE DE NOUVEAUX HORIZONS POUR CE PROCEDE. L'OBJET DE CE TRAVAIL EXPERIMENTAL ET NUMERIQUE EST D'ANALYSER ET DE PREDIRE L'ECOULEMENT DES DEUX POLYMERES. NOUS POURRONS AINSI REPONDRE AUX PROBLEMES PARTICULIERS TELS QUE LE CONTROLE DE LA QUANTITE ET DE LA REPARTITION DE LA MATIERE DE CUR POUR DES MOULES DE GEOMETRIE COMPLEXE. L'ETUDE EXPERIMENTALE DE L'INJECTION SANDWICH D'UN MOULE DE DISQUE A PERMIS DE TESTER L'INFLUENCE DES PARAMETRES D'INJECTION SUR LA REPARTITION DES DEUX MATIERES. LE DEBIT EST LE FACTEUR PREPONDERANT. SON AUGMENTATION ENTRAINE UNE FORTE BAISSE DE LA VISCOSITE PRES DES PAROIS DU MOULE. IL S'EN SUIT UNE DIMINUTION DE L'EPAISSEUR DE LA MATIERE DE PEAU. UN MODELE NUMERIQUE 2D AXISYMETRIQUE A CINEMATIQUE RICHE A ETE ADAPTE A LA SIMULATION DES ECOULEMENTS BIMATIERES. DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT CAPILLAIRE, IL A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE UN CHAMP DE PRESSION NON CONSTANT DANS L'EPAISSEUR. CEPENDANT, CES PHENOMENES SONT DU SECOND ORDRE LORSQUE LES VISCOSITES DES FLUIDES SONT VOISINES. UN MODELE NUMERIQUE 2D AXISYMETRIQUE A CINEMATIQUE RICHE A ETE ADAPTE A LA SIMULATION DES ECOULEMENTS BIMATIERES. DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT CAPILLAIRE, IL A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE UN CHAMP DE PRESSION NON CONSTANT DANS L'EPAISSEUR DU TUBE, AINSI QUE L'EXISTENCE D'UNE COMPOSANTE RADIALE DE LA VITESSE AU VOISINAGE DU FRONT DE L'INTERFACE. CEPENDANT, CES PHENOMENES SONT DU SECOND ORDRE LORSQUE LES VISCOSITES DES DEUX FLUIDES SONT RELATIVEMENT VOISINES. LES APPROXIMATIONS DE LA LUBRIFICATION HYDRODYNAMIQUE, LEGITIMEES PAR LE MODELE A CINEMATIQUE RICHE, SONT A LA BASE D'UNE FORMULATION DE HELE-SHAW GENERALISEE AUX ECOULEMENTS MULTIMATIERES. UNE METHODE DES VOLUMES DE CONTROLE PERMET DE RESOUDRE LES EQUATIONS DE LA THERMOMECANIQUE TRADUISANT: L'EQUILIBRE MECANIQUE, L'INCOMPRESSIBILITE DES FLUIDES, LA CONVECTION DES INTERFACES ENTRE LES FLUIDES, ET LE BILAN ENERGETIQUE. LE TRAVAIL EXPERIMENTAL A PERMIS DE VALIDER LE MODELE DE HELE-SHAW DANS DES CONDITIONS D'INJECTION DIVERSES. NOUS AVONS TERMINE L'ETUDE PAR UNE APPLICATION A UNE PIECE INDUSTRIELLE DE GEOMETRIE COMPLEXE, L'ACCORD ENTRE LE CALCUL ET L'EXPERIENCE EST ENCOURAGEANT

Les polymères chargés de fibres sont utilisés dans l'impression 3D pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces finales. Le filament chargé de fibres est extrudé et ensuite déposé. La distribution d'orientation des fibres a un effet direct sur les propriétés mécaniques du produit. Le projet de cette thèse vise à comprendre le comportement et déterminer l'état d'orientation de fibres dans le procédé d'impression 3D. Le matériau choisi est un PA12 chargé de fibres de carbone. Des travaux expérimentaux ont été réalisés afin de comprendre le comportement du composite imprimé et l'influence des paramètres de mise en forme. Les résultats des propriétés mécaniques sont comparés aux résultats des pièces injectées et ont montré des valeurs comparables entre les deux procédés. Cela revient à dire que le comportement des composites dépend à la fois du procédé de mise en forme et aussi de l'état d'orientation des fibres. Afin de comprendre cet état d'orientation des fibres dans la pièce imprimée, il est important de comprendre l'interaction entre l'écoulement et la dynamique des fibres. Cette thèse offre des modèles numériques qui permettent de prédire ces états d'orientation en utilisant des modèles qui décrivent le mouvement des fibres dans un écoulement fluide. Ce travail s'intéresse à la distribution d'orientation des fibres à la sortie d'une buse d'imprimante 3D et à son effet sur la forme de la surface libre. Une première simulation sert à valider l'implémentation numérique du modèle du gonflement avec un écoulement d'un fluide newtonien et par la suite l'ajout de la dynamique d'orientation des fibres est considéré. Ce travail présente des modèles de prédiction d'orientation des fibres avec des approximations de fermeture et en utilisant la fonction de distribution. Les résultats du calcul permettent d'étudier l'orientation des fibres à la sortie de la buse de l'imprimante et l'effet du modèle couplé sur la forme finale de la surface libre.

LE TRAVAIL PRESENTE TRAITE DE L'ETUDE THERMOMECANIQUE DE L'ECOULEMENT DE POLYMERES ET ALLIAGES DE POLYMERES THERMOPLASTIQUES RENFORCES DE FIBRES DE VERRE DANS DES GEOMETRIES SIMPLES. DANS UN PREMIER TEMPS NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES PARAMETRES THERMODYNAMIQUES DE TRANSFORMATION PAR INJECTION SUR LES PROPRIETES MECANIQUES ET VISCOELASTIQUES D'ECHANTILLONS THERMOPLASTIQUES COMPOSITES A BASE DE POLYARYLAMIDE ET D'ALLIAGES POLYPROPYLENE-POLYARYLAMIDE (PP/PA). POUR INTERPRETER ET JUSTIFIER CES RESULTATS, NOUS AVONS MENE UNE ETUDE APPROFONDIE DE LA MICROSTRUCTURE DES PIECES INJECTEES. PARALLELEMENT NOUS AVONS DEVELOPPE UN RHEOMETRE SPECIFIQUE DIRECTEMENT ADAPTE A LA PRESSE A INJECTER. CET APPAREIL ORIGINAL PERMET L'ETABLISSEMENT DE LOIS DE COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DE POLYMERES THERMOPLASTIQUES DANS DES CONDITIONS REELLES DE TRANSFORMATION (PRESSION, TAUX DE CISAILLEMENT ET TEMPERATURE). NOUS AVONS AINSI ETUDIE L'EVOLUTION DE LA VISCOSITE ET DE L'ELASTICITE DES ALLIAGES EN PP/PA EN FONCTION DE LA TEMPERATURE, DU TAUX DE CISAILLEMENT ET DE LA CONCENTRATION EN PHASE DISPERSEE ET DEDUIT UNELOI ASSOCIE AU CAS DES PP/PA POUR UNE CONCENTRATION EN PP DONNEE. LE DEVELOPPEMENT D'UN SYSTEME INFORMATISE D'ACQUISITION DE DONNEES (PRESSION-TEMPERATURE) NOUS A PERMIS DE CARACTERISER L'INFLUENCE DE LA PRESSION, DE LA TEMPERATURE ET DE LA GEOMETRIE SUR LES PERTES DE CHARGES LORS DE L'ECOULEMENT DE LA MATIERE FONDUE DANS L'EMPREINTE DU MOULE. LA DERNIERE PARTIE DE CETTE ETUDE EST CONSACREE A LA MODELISATION DE LA PHASE DE REMPLISSAGE DU CYCLE D'INJECTION POUR DES GEOMETRIES SIMPLES EN INTRODUISANT UNE LOI DE COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE THERMODEPENDANTE DEDUITE DE L'EXPERIENCE ET EN TENANT COMPTE DE LA SOLIDIFICATION DE LA MATIERE EN FONCTION DU TEMPS. LE MODELE PROPOSE POURRAIT FAIRE L'OBJET D'UNE APPLICATION AUX CAS DE GEOMETRIES COMPLEXES

CETTE THESE A POUR OBJECTIFS, PREMIEREMENT LA DESCRIPTION DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES DES THERMOPLASTIQUES CHARGES DE FIBRES COURTES PENDANT LEUR MISE EN FORME, PUIS LA MODELISATION DE CES PROPRIETES PAR DES LOIS DE COMPORTEMENT, ENFIN, LA SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECOULEMENT DE CE TYPE DE MATERIAU AU COURS DES PROCEDES D'EXTRUSION ET D'INJECTION AVEC PREDICTION DE L'ORIENTATION DES FIBRES. L'ETUDE RHEOLOGIQUE UTILISE DES METHODES CLASSIQUES: RHEOMETRIE CONE-PLAN, PLAN-PLAN ET CAPILLAIRE, SUR DIFFERENTS PRODUITS CHARGES (POLYETHYLENE HAUTE DENSITE, POLYAMIDE, HUILE SILICONE) ET A DIFFERENTS TAUX DE FIBRES. DE PLUS, UNE TECHNIQUE EXPLOITANT LES COUPLES DE DEMARRAGE EN RHEOMETRIE PLAN-PLAN, AVEC PREORIENTATION DES FIBRES, AINSI QU'UNE METHODE UTILISANT LES PERTES DE CHARGE DANS UN ECOULEMENT CONVERGENT ONT ETE DEVELOPPEES POUR MIEUX METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES FIBRES ET DE LEUR ORIENTATION SUR LES CARACTERISTIQUES RHEOLOGIQUES. LA MODELISATION EST COMPOSEE DE DEUX PARTIES. PREMIEREMENT UNE DESCRIPTION DE L'EVOLUTION DE L'ORIENTATION DES FIBRES QUI UTILISE LES TRAVAUX DE JEFFERY, PASSE PAR LE CALCUL DU TENSEUR DE ROTATION DES ELLIPSOIDES ET MET EN UVRE UNE METHODE DE DECOMPOSITION DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION D'ORIENTATION EN SERIE DE DIRACS. DEUXIEMEMENT UNE EXPRESSION DU CHAMP DE CONTRAINTE A ETE CONSTRUITE EN TENANT COMPTE DE L'ANISOTROPIE ET DU COMPORTEMENT PSEUDO-PLAST QUE DE CES MATERIAUX. CE MODELE EST MIS EN UVRE EN PARTIE ANALYTIQUEMENT, POUR CALCULER LES COUPLES DE DEMARRAGE EN RHEOMETRIE PLAN-PLAN ET LES PERTES DE CHARGE DANS UN ECOULEMENT CONVERGENT. LES CONFRONTATIONS AUX EXPERIENCES SONT SATISFAISANTES POUR DES TAUX DE FIBRES ELEVES TELS QUE CEUX DES THERMOPLASTIQUES CHARGES, INDUSTRIELS. LE MODELE EST ENSUITE INTEGRE A DEUX CODES DE CALCUL PAR ELEMENTS FINIS 2D. DANS LE CAS D'ECOULEMENTS STATIONNAIRES ISOTHERMES (EXTRUSION), L'EQUATION DE TRANSPORT SUR LE TENSEUR DE ROTATION DES ELLIPSOIDES EST RESOLUE PAR UNE METHODE DE GALERKIN DISCONTINUE. POUR LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES (INJECTION), C'EST LA METHODE DES CARACTERISTIQUES QUI EST UTILISEE. DANS LES DEUX CAS LA RESOLUTION EN VITESSE INTEGRE LA NOUVELLE EXPRESSION DU CHAMP DE CONTRAINTE. LE CALCUL D'ORIENTATION ET LA RESOLUTION EN VITESSE SONT FAIBLEMENT COUPLES EN INJECTION, ET SONT COUPLES PAR UN ALGORITHME DE POINT FIXE EN EXTRUSION. EN EXTRUSION COMME EN INJECTION, UN ACCORD CORRECT EST OBTENU ENTRE PREDICTIONS ET MESURES D'ORIENTATION