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.

This work presents novel simulation techniques for injection molding of fiber reinforced polymers. These include approaches for anisotropic flow modeling, hydrodynamic forces from fluid on fibers, contact forces between fibers, a novel fiber breakage modeling approach and anisotropic warpage analysis. Due to the coupling of fiber breakage and anisotropic flow modeling, the fiber breakage directly influences the modeled cavity pressure, which is validated with experimental data.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension des mécanismes d'endommagement et à l'identification d'un critère de durée de vie du polyamide 6,6 renforcé à 30% en masse de fibres de verre courtes (PA66GF30), obtenu par moulage par injection, en prenant en compte les effets de la température, de la teneur en eau et des orientations de fibres induites par le procédé de fabrication. Ainsi, dans un premier temps, une campagne d'essais de caractérisation du comportement mécanique du PA66GF30, pour différentes orientations de fibres, températures, teneurs en eau et vitesses de sollicitation, a été menée. Ceux-ci ont mis en évidence le rôle de la matrice polyamide 6,6 (PA66) dans la dépendance à la température, à la teneur en eau et à la vitesse de sollicitation du comportement du PA66GF30. Dans ce sens, une triple équivalence Temps-Température-Teneur en eau du comportement du PA66 a été démontrée à l'aide de courbes maîtresses obtenues par DMA. Une nouvelle expression de la vitesse équivalente à une température et une teneur en eau de référence en a alors été déduite, dans l'objectif de pouvoir rendre compte de cette triple sensibilité dans un futur modèle de comportement. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue dans des conditions environnementales contrôlées, a permis d'étudier les effets de l'orientation des fibres, de la température et de la teneur en eau, sur la tenue en fatigue d'éprouvettes en PA66GF30. L'analyse mécanique de ces essais a abouti à l'identification d'un critère de durée de vie, tenant compte de l'ensemble des facteurs influents. Enfin, la microtomographie des rayons X sous faisceau synchrotron a été utilisée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue présents dans le PA66GF30, suite à des analyses post-mortem et des expériences in-situ. Le dépouillement de ces observations a permis de faire la lumière sur les mécanismes d'endommagement, et de proposer un nouveau scénario d'endommagement en fatigue.

CE MEMOIRE RAPPORTE UNE ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA RHEOLOGIE D'UN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE THERMOPLASTIQUE RENFORCEE DE FIBRES DISCONTINUES LORS DE SA PHASE DE MISE EN FORME PAR ESTAMPAGE. A L'OPPOSE DES MATERIAUX TECHNIQUES TRADITIONNELS, LE COMPOSITE DOIT AU NIVEAU DE SA SPECIFICITE S'ADAPTER AUX EXIGENCES DE CONCEPTION ALORS QUE CELLE-CI DECOULE HABITUELLEMENT DES PROPRIETES DES MATERIAUX CONSTITUTIFS. EN CHERCHANT A REALISER SIMULTANEMENT LE MATERIAU ET LE PRODUIT, LE PROCEDE DEVIENT INDISSOCIABLE DES COMPOSANTS PUISQUE LES PERFORMANCES DE LA STRUCTURE EN DEPENDENT ETROITEMENT. UN DES BUTS A ATTEINDRE EST AINSI DE DISPOSER LES RENFORTS DE MANIERE OPTIMALE EN FONCTION DES EFFORTS OU DES CONTRAINTES AUXQUELLES LA STRUCTURE EST EN MESURE D'ETRE SOUMISE, C'EST-A-DIRE DE PLACER LE COUT DANS LES ZONES LES PLUS SOLLICITEES ET NON PARTOUT AILLEURS, COMME CELA EST COMMUNEMENT OPERE EN PRESENCE DE MATERIAUX HOMOGENES ET ISOTROPES. IL S'AGIT EN QUELQUE SORTE DE REALISER UNE ANISOTROPIE CONTROLEE GENERATRICE DE PROPRIETES ADEQUATES. OR LA FABRICATION D'UN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE POLYMERE EST EN GENERAL UN PROCEDE RENDU COMPLEXE PAR LA NATURE HETEROGENE DE LA STRUCTURE. ET, DANS LA MAJEURE PARTIE DES CAS, LES PROPRIETES MECANIQUES ET PHYSICO-CHIMIQUES DU MATERIAU OBJET DE LA MISE EN FORME PRESENTENT UN DEGRE D'ANISOTROPIE PLUS OU MOINS PRONONCE MAIS DONT IL SERAIT INOPPORTUN DE NEGLIGER LES EFFETS. C'EST DANS CE CONTEXTE QUE S'INSCRIT CETTE ETUDE DONT L'OBJECTIF EST DE MATERIALISER LE COUPLAGE ENTRE L'ECOULEMENT GOUVERNE PAR UNE LOI DE TYPE FLUIDE VISQUEUX ANISOTROPE NON-NEWTONIEN ET L'ETAT LOCAL D'ORIENTATION DU RENFORT INTERAGISSANT ET EVOLUANT TOUT AU LONG DE LA TRANSFORMATION. DES LOIS DE COMPORTEMENT ET D'ORIENTATION SONT DEVELOPPEES ET IDENTIFIEES SUR DES ECOULEMENTS EXPERIMENTAUX ISOTHERMES DE TYPE PLAQUE. PUIS, LA DESCRIPTION DE L'ETAT LOCAL EST INTEGREE DANS UN CODE DE CALCULS PAR ELEMENTS FINIS PERMETTANT DE SIMULER L'ECOULEMENT DE MANIERE GLOBALE ET DE CONFRONTER LE MODELE A L'EXPERIENCE. L'INTERET EST D'UNE PART DE PREDIRE L'EVOLUTION DE L'ANISOTROPIE ET SES REPERCUSSIONS SUR L'ECOULEMENT, NOTAMMENT LA DEFORMEE DU FRONT DE MATIERE EN PRESENCE DE BORDS LIBRES, ET D'AUTRE PART DE POUVOIR QUANTIFIER L'ETAT D'ORIENTATION FINAL RESPONSABLE DES PROPRIETES MECANIQUES ET PHYSIQUES DE LA STRUCTURE

Les matériaux composites thermoplastiques constituent une solution technologique de premier ordre pour la fabrication de pièces et de composants fonctionnels ou de structure notamment pour l’industrie automobile. Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension et à la modélisation de la cinétique d’endommagement dans les thermoplastiques renforcés par des fibres de verre courtes (PA6‐GF30) et longues (PP‐GFL40) sous chargement cyclique. Il a permis de développer et d’identifier un modèle d’endommagement en fatigue intégrant la cinétique de dégradation spécifique aux thermoplastiques renforcés. Deux approches complémentaires ont été développées dans de cette étude. La première est une approche expérimentale dédiée à la caractérisation de l’endommagement dans les matériaux étudiés en tenant compte de l’effet du procédé de moulage par injection sur le comportement élastique endommageable. Les résultats de l’approche expérimentale ont alimenté les bases théoriques de la deuxième approche proposant une formulation d’un modèle phénoménologique d’endommagement en fatigue. Le modèle intègre les trois phases d’endommagement des composites thermoplastiques traduites phénoménologiquement par une cinétique d’évolution de cinq variables d’endommagement. Deux stratégies d’identification inverse ont été développées pour la détermination des paramètres du modèle d’endommagement. La première stratégie exploite la perte de modules mesurée lors des essais de fatigue en configuration homogène. La deuxième stratégie exploite les essais de fatigue en configuration hétérogène. Celle‐ci a été optimisée afin de générer une évolution spatio‐temporelle des déformations. Les paramètres d’endommagement sont identifiés par minimisation d’une fonction objectif construite sur la base des champs de déformations hétérogènes et des efforts à la frontière. Les essais de fatigue réalisés à différents niveaux de déplacements imposés ont permis de valider expérimentalement le modèle d’endommagement développé. Les potentialités prédictives du modèle ont été également démontrées à travers la simulation de l’évolution de l’endommagement sous chargement cyclique à amplitudes variables ou dans le cas d’un chargement cyclique biaxial combiné ou séquentiel. Ce dernier aspect permis de démontrer la capacité du modèle à prédire l’effet du trajet de chargement multiaxial sur l’évolution de l’endommagement en fatigue dans les thermoplastiques renforcés.

Le but de ce travail de thèse est la prédiction des retraits et déformations de pièces injectées en thermoplastique chargé fibres de verre courtes. Le matériau utilisé a été premièrement caractérisé sous des conditions proches de celles appliquées en injection, les résultats étant ensuite intégrés au calcul. Deuxièmement, la simulation 3D du cycle d’injection a permis de définir l’orientation des fibres au sein des pièces injectées. Les retraits et déformations après éjection ont ensuite été calculés avec deux types de loi de comportement, élastique orthotrope et viscoélastique isotrope transverse. Les propriétés d’orientation dues à l’injection ont été transférées grâce à une interface vers un logiciel de calcul de structure. Enfin, les résultats ont été comparés avec des mesures expérimentales des déformations. À terme, on souhaite ainsi remplacer la phase expérimentale et itérative de détermination des paramètres optimaux du procédé par les prédictions de la simulation.

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