Modelling the influence of infrared preheating and temperature uniformity in forming of powder-impregnated thermoplastic composites
Modélisation du thermoformage de composites thermoplastiques poudrés : influence de l’étape de préchauffage infrarouge sur la mise en forme
Résumé
Non-isothermal thermoforming of thermoplastic composites, in which a preconsolidated blank is heated above the melting temperature of the matrix before being formed in a press, is a process well adapted to the high production rates of automotive structural parts, allowing for cycle times < 1 min. Numerical tools to predict the apparition of manufacturing-induced defects based on the process parameters used are of an obvious industrial interest to avoid relying on a cost and time intensive trial-and-error approach. This thesis focused on the development of a comprehensive simulation of the forming of powder-impregnated PA66/glass composites, modelling explicitly the infrared preheating step to investigate the effect of temperature homogeneity on shape defects. The thermophysical and optical properties of the material were characterized experimentally at two levels of consolidation, and as a function of temperature when relevant. The structure of the non-consolidated material leads to a less uniform heating, compared to preconsolidated blanks. A finite element model based on the radiosity method to compute the radiative heat transfer was used to simulate the preheating step; this approach was validated against experimental results from a custom-built infrared oven. The model has been used to investigate the effect of blank sag on temperature distribution, and an optimization method to determine the oven parameters based on a desired temperature field has been presented. The mechanical behaviour of the woven composite during forming was modelled with a hypoelastic continuum approach, implemented in Abaqus/Explicit. The model parameters were determined from experimental tensile tests and in-plane shear tests at various temperatures and shear rates. Non-isothermal simulations of the forming of hemispherical parts were conducted, using the temperature field predicted from the preheating simulation as an input, and showed good agreement with that observed on parts formed on a lab-scale thermoforming setup.
Le thermoformage non-isotherme de composites thermoplastiques, qui consiste à chauffer une préforme consolidée à une température supérieure à la fusion de la matrice avant de la transférer dans une presse d’estampage, est un procédé bien adapté à la production grande série de pièces structurelles pour l’industrie automobile (avec des temps de cycle < 1 min). L’utilisation d’outils numériques pour prédire l’apparition de défauts en fonction des paramètres procédés utilisés est d’un grand intérêt pour éviter l’emploi de procédures d’optimisation expérimentales couteuses de type essais/erreur. Ces travaux de thèse ont porté sur le développement d’une simulation de la mise en forme de composites poudrés PA66/verre, incluant la modélisation explicite de l’étape de préchauffage infrarouge, afin d’étudier l’effet de l’homogénéité du champ de température sur la présence de défauts de forme. Les propriétés thermophysiques et optiques du matériau ont été caractérisées expérimentalement à deux niveaux de consolidation. La structure du matériau non consolidé conduit à un chauffage moins uniforme, comparé à une préforme préconsolidée. Un modèle éléments finis, basé sur la méthode des radiosités pour la prise en compte des transferts radiatifs a été utilisé pour simuler l’étape de préchauffage ; la démarche a été validée par comparaison avec des essais menés sur un pilote de four infrarouge. L’effet de l’affaissement de la préforme sur la distribution de température a été évalué numériquement, et une procédure d’optimisation pour déterminer les paramètres du four en fonction d’un champ de température requis a été présentée. Le comportement mécanique du composite tissé a été modélisé à l’échelle macroscopique par une loi hypoélastique, implémentée dans Abaqus/Explicit. Les paramètres du modèle ont été déterminés à l’aide d’essais en traction et cisaillement en fonction de la température et de la vitesse de sollicitation. Des simulations non-isothermes de la mise en forme de pièces hémisphériques ont été réalisées, et montrent un bon accord avec les données expérimentales obtenues à l’aide d’un pilote de formage à l’échelle laboratoire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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