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Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique UMR 6183 CNRS - École Centrale Nantes - Université de Nantes
Comment la simulation des procédés permet de développer des solutions technologiques grande
cadence ?
C. Binetruy
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GeM : C. Binetruy 2
Thèmes de recherche du GeM
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GeM : C. Binetruy 3
Thèmes de recherche Comp’Innov
• Mise en oeuvre des matériaux composites• Durabilité, approche fiabilité• Tolérance aux défauts et aux dommages• Comportement et modélisation des
assemblages et structures
Material
ProductProcess
✕
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Composite processing for mass production
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• Short cycle time ≈ 1 min• Robust / tolerant / repeatable• Cost-effective• Allows complex design to be manufactured• Need tailored materials and facilities
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From aeronautics to automotive applications
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Cutting FormingImpregnation
/ consolidation
Curing / cristallization
Demolding and trimming
Forming
Impregnation / consolidation
Curing / cristallization
Strong coupling
Weak coupling
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OUTLINE
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure
Q : What can numerical simulation be used for?
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Direct pultrusion of multi-axial thermoplastic composites
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Flow in consolidating woven fabrics
Polymer injection
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Direct pultrusion of multi-axial thermoplastic composites
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Process parameters
Effect on the pressure (P)
Effect on the saturation (S)
Pulling speed U ++ =Viscosity η ++ =Taper angle α ++ ++Taper length ++ ++Die temperature T - +
Criteria P < 10 bar S ≈ 1
Babeau et al, Modeling of heat transfer and unsaturated flow in woven fiber reinforcements during direct injection pultrusion process of thermoplastic composites, Composites Part A, 77, pp.310-318, 2015
Fixed parameters:• Pulling speed = 0,5 m/min
• η = 15 Pa.s
• taper length
Influence of the taper angle on impregnation quality
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OUTLINE
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure
Q : What can numerical simulation be used for?
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Material input parameters : 3D permeability tensor
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Material input parameters : 3D permeability tensor
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Material input parameters : 3D permeability tensor
12≈ 450 106 DDL
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OUTLINE
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure
Q : What can numerical simulation be used for?
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Design of tailored fabrics with enhanced permeability (ANR Tapas)
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Design parameters• Inter-tow shape and dimensions• 3D connectivity of flow• Scale separation in dual-scale flow
Keep Vf constant to maximize mechanical performance of the final composite
Check the formability by testing and simulations (Lamcos) Yarn compaction at
constant global Vf
Intra-tow
Inter-tow
Intra-tow
H
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Design of tailored fabrics with enhanced permeability (ANR Tapas)
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OUTLINE
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure
Q : What can numerical simulation be used for?
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Process robustness : High-Speed RTM with fast curing resin
Deléglise M et al, Modeling of high speed RTM injection with highly reactive resin with on-line mixing. Composites Part A, 2011, 31;42(10):1390-7.
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Process robustness
Input : mapped stochastic permeability field
Meshed part Output : stochastic filling time, filling pattern…
Inserts
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Process robustness• Scattering in flow patterns and resin arrival time
• Predict the randomness in flow patterns and resin arrival time
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OUTLINE
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure
Q : What can numerical simulation be used for?
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Material characterization : Vf field
Part
thi
ckne
ss
+
Velocity of a longitudinal wave in an isotropic material
E,ρ,ν
LFTPolymer
Velocity measure
E
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Material characterization : Coupon size?
ISO 527-4 : 1B coupon
b1 = 10 ± 0.2 mm l1 = 60 ± 0.5 mm
Standard tensile testCorrelation structure of the Vf field
Correlation structure
Correlation length
Guilleminot, J., Soize, C., Kondo, D., & Binetruy, C. (2008). Theoretical framework and experimental procedure for modelling mesoscopic volume fraction stochastic fluctuations in fiber reinforced composites. IJSS, 45(21), 5567-5583.
Vf field (dimensions in cm)
Realizations of Vf
Part 1 . . . . . . . . .
Part 2 . .
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Conclusions
• Direct manufacturing : example : pultrusion• Virtual material characterization (virtual lab)• Design tailored material• Process robustness• Adapt testing to actual material microstructure• …
Q : What can numerical simulation be used for?