Ce travail de thèse découle du regroupement de plusieurs équipementiers aéronautiques (Technofan, Microturbo, Liebherr Aerospace) et de laboratoires de recherche (Ecole des Mines d'Albi, Université Paul Sabatier de Toulouse). L'objectif des travaux est de parvenir à la maîtrise de la qualité structurelle de pièces en polyétherimide renforcé par fibres de verre courtes, injectées sous haute pression. Le premier chapitre propose un état de l'art des connaissance scientifiques et techniques relatives au processus d'injection et aux défauts d'ordre structurel. Deux types de défauts sont identifiés comme représentant la majorité des cas rencontrés : les lignes de soudure et les vacuoles. Ces deux familles sont étudiées en détails dans la suite du document. Un déséquilibre notable apparaît entre les connaissances relatives à ces deux types de défauts structurels. Plusieurs outils numériques et expérimentaux sont ensuite mis en place dans le chapitre II. Nous décrivons en premier lieu les méthodes de calcul utilisées dans le logiciel de simulation d'injection Moldflow. Un travail est également mené sur une méthodologie de représentation de l'état d'orientation des renforts au sein des pièces injectées. Le chapitre III correspond à l'ensemble des travaux concernant les lignes de soudure. Nous différencions les lignes de soudure frontales des lignes de soudure adjacentes. Ces dernières présentent de fortes potentialités d'optimisation. Nous étudions en particulier la dépendance de ces défauts par rapport au procédé de mise en forme. Une méthodologie de renforcement des lignes de soudure adjacentes par décalage volumique est également développée. Ces travaux aboutissent à une meilleure connaissance des liens entre le procédé d'injection et les lignes de soudure. Le chapitre IV correspond pour sa part à l'ensemble des travaux concernant les vacuoles. L'étude menée a pour but de proposer des méthodes de prévision et de contrôle de ce type de défaut dans les pièces de forte épaisseur. Des études expérimentales nous éclairent de surcroît sur la morphologie de ces défauts et sur leurs modes de formation. Enfin, plusieurs applications de ces travaux sont proposées. Ils débouchent par ailleurs sur des perspectives scientifiques très encourageantes.

L'allégement des véhicules est une préoccupation majeure de l'industrie automobile, puisque cela permet de réduire les émissions des gaz à effet de serre, ce qui entraînerait une réduction des impacts de ceux-ci sur l'environnement à l'échelle mondiale. Cette volonté d'allégement des véhicules tout en restant accessible en termes de coûts, a conduit au remplacement des matériaux métalliques par des composites à matrices thermoplastiques pour de nombreuses applications. Le compromis entre la tenue thermomécanique et le coût massique du matériau amène à sélectionner des matrices polyamides renforcées par des fibres de verre courtes, et mises en forme par injection. Cependant, les outils prédictifs du comportement et les critères robustes pour la caractérisation des propriétés en fatigue, manquent encore. Ils sont pourtant indispensables pour la conception de pièces structurelles dans l'industrie automobile. La caractérisation en fatigue des polyamides renforcés de fibres de verre courtes présente de nombreuses difficultés, liées au comportement fortement non linéaire de la matrice dans les conditions de service visées (température et humidité), à la nature composite de ces matériaux, à l'influence du procédé de fabrication (orientation des fibres) et au caractère fortement dissipatif de la matrice thermoplastique (augmentations de température non négligeables lors des chargements cycliques). Un enjeu majeur est de comprendre les liens entre la microstructure, le chargement thermo-(hygro)-mécanique et les propriétés de fatigue (sites d'initiation, scénarios d'évolution, critère de rupture). Le premier objectif de cette thèse est de proposer des protocoles d'analyse permettant de caractériser l'influence de chaque paramètre sur le comportement en fatigue. Par ailleurs, la complexité des pièces industrielles en termes de géométrie et d'orientation des fibres soulève la question de la pertinence des éprouvettes classiques. Le second objectif principal de cette thèse est donc de concevoir des éprouvettes représentatives en terme d'orientation des fibres et d'accidents géométriques des pièces industrielles (appelées éprouvettes de structure) et de valider pour ces cas complexes, les démarches et critères proposés. Pour répondre à ces objectifs, nous souhaitons proposer un protocole basé sur des mesures d'auto-échauffement, qui donnerait accès d'une part aux champs d'énergie dissipée pour les cas hétérogènes investigués et qui offrirait, d'autre part, une opportunité de caractérisation rapide des propriétés en fatigue au travers de critères énergétiques.

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 pièces situées dans des zones chaudes/tièdes (300-400°C) de l'avion sont actuellement en titane (mât moteur) ou en composite à matrice époxy (plenum). Comment pourrait-on diminuer la masse de ces pièces tout en évitant leur dégradation à hautes températures de fonctionnement ? Le projet TACT (Technologie pour Aérostructures composites Tièdes), porté par Nimitech Innovation® (Groupe LAUAK), propose une solution innovante consistant à mettre en oeuvre par voie RTM des pièces structurales tièdes à base de renfort en fibres de carbone (FC) et de matrice Cyanate ester (CE). Le choix de la matrice thermodurcissable CE est justifié par son caractère thermostable, c'est-à-dire sa capacité d'opérer en continu à de hautes températures de fonctionnement (avec une température de transition vitreuse Tg>300°C). Par ailleurs, elle possède la facilité de mise en oeuvre des époxydes du fait qu'elle s'adapte généralement bien aux paramètres du procédé RTM. Toutefois, l'exothermie élevée de la matrice CE lors de la réticulation implique un gradient de température dans la pièce composite et peut ainsi engendrer des problèmes de surchauffe. Les travaux scientifiques menés dans le cadre de cette thèse se focalisent sur la problématique de surchauffe de la résine pendant le processus de polymérisation très exothermique dans le moule RTM. L'objectif serait ainsi de maîtriser le cycle de cuisson du composite afin d'éviter tout problème d'emballement ou de dégradation pendant la réticulation de la matrice. Dès lors, la thèse s'organise de la manière suivante : dans un premier temps, le comportement thermocinétique de la matrice CE (pure et catalysée) est analysé pendant l'étape de réticulation, et ceci dans l'optique de contribuer à l'optimisation de cycle de cuisson lors de la mise en oeuvre du composite FC/CE par procédé RTM. Ensuite, les propriétés thermiques (capacité calorifique, conductivité, diffusivité) en fonction du degré d'avancement de la résine CE sont menés afin d'évaluer le gradient thermique régi par l'équation de la chaleur permettant de maîtriser la cuisson de la résine dans l'épaisseur. Par ailleurs, la vitrification de la matrice CE est étudiée par le suivi de la température de transition vitreuse Tg en fonction de la température et du taux d'avancement à l'aide de différents techniques de mesure (DSC, DMA, TMA). Enfin, une modélisation de la vitrification à l'aide du modèle Di-Benedetto permettra l'estimation de la température de la transition vitreuse Tg ∞ pour le réseau tridimentionnel entièrement réticulé.

Les composites à matrice polymère sont de plus en plus utilisés dans le secteur automobile. Afin de remplir les conditions exigeantes du cahier des charges vis-à-vis des conditions de mise en service, les pièces en composite doivent maintenir leur forme géométrique sous des conditions thermo-mécaniques parfois extrêmes. Par exemple, un assemblage de hayon composite est soumis à des contraintes mécaniques élevées associées à des variations de température importantes lors des essais de validation du cahier des charges. Les enjeux de la thèse sont axés sur l'aide à la conception dans le domaine quasi-statique de pièces industrielles injectées en thermoplastique renforcé de fibres discontinues. L'amélioration des outils numériques doit permettre un dimensionnement virtuel optimal de ces pièces en anticipant les variations rencontrées en service et les distorsions résiduelles résultantes de chargements thermo-mécaniques. Cette démarche s'appuie sur la connaissance du comportement thermo-mécanique du matériau de l'étude, celui du renfort de hayon, un polypropylène renforcé à 40% en masse de fibres de verre discontinues, et sur la modélisation du comportement de ce type de matériau.