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Nguyen-Dinh, Ngoc. Experimental study of the trimming of carbon/epoxy composite: machinability and material integrity

Nguyen-Dinh, Ngoc (2019). Experimental study of the trimming of carbon/epoxy composite: machinability and material integrity.

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Résumé en francais

Le détourage est la première opération d'usinage après la fabrication et le démoulage des structures composites. Cette opération, qui est généralement effectuée avec un procédé conventionnel d'enlèvement de matière à l'aide d'un outil de coupe, conduit à l'apparition de plusieurs types d'endommagements qui sont suivi par la génération de particules nocives lors d'un usinage sans lubrification. Ces particules, générées lors de l'usinage à sec de composites constituent une menace sanitaire, car elles peuvent rester en suspension dans l'air et s'infiltrer dans le corps de l'opérateur, représentant un risque de danger respiratoire. Malheureusement, la compréhension des phénomènes d'émission de particules lors de l'usinage du composite est actuellement insuffisante. De plus, l'apparition de dommages localisés sur la surface usinée (due à l'interaction entre l'outil et le composite) peut réduire la tenue de la structure en service du fait de la formation de zones de concentration de contraintes. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les causes sous-jacentes de la création de dommages, ainsi que la relation entre les dommages induits par l'usinage et le comportement mécanique. Il est important de noter que d'un point de vue industriel le critère de rugosité de surface est largement utilisé pour quantifier la qualité d'usinage de la surface composite ainsi engendrée ; cependant la relation entre ces deux critères reste complexe. Ainsi, afin de répondre à cette problématique, ce travail de thèse s'est concentré sur trois objectifs principaux. Tout d'abord, des études ont été menées sur l'usinabilité d'échantillons de stratifiés composites multidirectionnels à base de résine époxy et de fibres de carbone lors du détourage à l'aide d'outils de coupe en PCD (diamant polycristallin). Plus précisément, l'influence des paramètres de coupe (vitesse d'avance et vitesse de coupe) et de la distance de coupe (usure de l'outil) ont été étudiés afin de voir leur influence sur les efforts de coupe et sur la température d'usinage induite, puis une caractérisation multi-échelle des dommages induits par l'usinage a été menée. Cette caractérisation multi-échelles des dommages induits par l'usinage a consisté à l'observation post-mortem des échantillons usinés à l'aide de différentes techniques telles que la tomographie à rayons X, la microscopie confocale et le MEB. Grâce à cette caractérisation multi-échelles, la qualité d'usinage a été quantifiée à l'aide de nouveaux paramètres tels que le volume de cratères, Cv, basé sur la quantification des défauts de cratères et la profondeur des dommages, D, mesurés à l'aide d'observations tomographiques à rayons X. Le deuxième objectif de cette thèse était centré sur l'influence des paramètres de coupe (vitesse de coupe, vitesse d'avance et profondeur de coupe radiale), la distance de coupe et la géométrie de l'outil sur le nombre de particules nocives générées lors de la coupe. Les résultats de cette étude sur les émissions de poussières pourront être très utiles à la communauté industrielle pour choisir les bonnes conditions d'usinage afin de protéger les opérateurs susceptibles d'inhaler les particules présentes dans l'air dans la zone d'usinage. Les résultats obtenus ont clairement montré que pour réduire les émissions de particules nocives, il était nécessaire d'augmenter la profondeur de coupe radiale ou la vitesse d'avance. Néanmoins cette combinaison de conditions de coupe conduit en général à une mauvaise qualité d'usinage. Ces résultats nous ont amené à proposer une nouvelle conception de la géométrie d'un outil de coupe en collaboration avec la société ASAHI. Enfin, nous avons étudié l'influence de la qualité de la surface usinée ainsi que de la nature des défauts induits lors de l'usinage sur le comportement mécanique. Des essais de compression quasi-statiques multi-instrumentés ont ainsi été effectués sur des éprouvettes stratifiées multidirectionnelles caractérisées par différentes qualités d'usinage (différentes valeurs de Cv et de D). Les résistances à la compression de différentes éprouvettes ont été corrélées avec différents critères de qualité d'usinage (Ra, Cv et D). Les mécanismes de rupture apparaissant lors du chargement de compression ont ensuite été identifiés à l'aide d'une caméra infrarouge pour une direction de chargement transverse et longitudinale (par rapport à l'orientation fibre principale du stratifié). Les critères de qualité proposés (Cv et D) présentent une très bonne corrélation entre la qualité d'usinage et les résistances à la compression.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Zitoune, Redouane
Bouvet, Christophe
Ecole doctorale:Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
laboratoire/Unité de recherche :Institut Clément Ader (ICA-Toulouse)
Mots-clés libres :Composite stratifié - Fraisage des composites - Défauts d'usinage - Caractérisation de surface - Comportement en compression - Risque respiratoire - Émission de poussières
Sujets :Sciences de l'ingénieur
Déposé le :09 Apr 2021 11:01