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UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL D´ EVELOPPEMENT ET OPTIMISATION D’UN PROC´ ED´ E DE

UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL D´ EVELOPPEMENT ET OPTIMISATION D’UN PROC´ ED´ E DE MISE EN FORME PAR INJECTION D’UNE PI` ECE COMPLEXE ` A ´ EPAISSEUR VARIABLE EN MAT´ ERIAUX COMPOSITES JEAN-FRAN¸ COIS D´ ESILETS D´ EPARTEMENT DE G´ ENIE M´ ECANIQUE ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL M´ EMOIRE PR´ ESENT´ E EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLˆ OME DE MAˆ ITRISE ` ES SCIENCES APPLIQU´ EES (G´ ENIE M´ ECANIQUE) D´ ECEMBRE 2011 c ⃝Jean-Fran¸ cois D´ esilets, 2011. UNIVERSIT´ E DE MONTR´ EAL ´ ECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTR´ EAL Ce m´ emoire intitul´ e : D´ EVELOPPEMENT ET OPTIMISATION D’UN PROC´ ED´ E DE MISE EN FORME PAR INJECTION D’UNE PI` ECE COMPLEXE ` A ´ EPAISSEUR VARIABLE EN MAT´ ERIAUX COMPOSITES pr´ esent´ e par :D´ ESILETS Jean-Fran¸ cois en vue de l’obtention du diplˆ ome de : Maˆ ıtrise ` es Sciences Appliqu´ ees a ´ et´ e dˆ ument accept´ e par le jury constitu´ e de : M. RAISON Maxime, Ph.D., pr´ esident. M. RUIZ Eduardo Antonio Julian, Ph.D., membre et directeur de recherche. M. TROCHU Fran¸ cois, Ph.D., membre et codirecteur de recherche. M. TURENNE Sylvain, Ph.D., membre. iii ` A mon p` ere, Jean-Luc, iv Remerciements Les travaux pr´ esent´ es dans ce m´ emoire ont ´ et´ e eﬀectu´ es au sein de la Chaire de Recherche sur les Composites ` a Haute Performance de l’´ Ecole Polytechnique de Montr´ eal. L’auteur tient ` a remercier tous ceux qui ont permis et particip´ e ` a la r´ ealisation de ce projet. En premier lieu, je tiens ` a exprimer ma reconnaissance ` a mon directeur Dr. Edu Ruiz et mon co-directeur Dr. Fran¸ cois Trochu pour m’avoir donn´ e l’opportunit´ e d’´ evoluer dans un laboratoire de recherche avanc´ ee en mat´ eriaux composites. Je tiens aussi ` a les remercier pour leur support et leur conﬁance qui m’ont grandement aid´ e ` a terminer cet ouvrage. Je tiens ´ egalement ` a remercier mes nombreux coll` egues de la chaire de recherche pour leur appui et leurs judicieux conseils. Plus particuli` erement, je voudrais remercier Paul Trudeau pour toutes les connaissances qu’il a su me transmettre au cours de mes travaux. Je tiens ´ ega- lement ` a remercier Saul Vasco pour la mise en oeuvre des plans d’exp´ erience, Matthieu Sola, Edith Roland Fotsing, Fran¸ cois Lebel, Vincent Achim, Bruno Croteau-Labouly pour leurs conseils, leur soutien et leure aide pr´ ecieuse. Enﬁn, je veux aussi remercier Alex Bourgeois et Christian-Charles Martel, qui m’ont toujours donn´ e un appui technique eﬃcace. Je tiens ` a remercier tout particuli` erement Robin Dub´ e pour toute l’aide apport´ ee, ses judicieux conseils et son soutien constant et inconditionnel tout au long de la r´ ealisation de ce projet. Enﬁn, mes remerciements vont aussi ` a l’endroit du Dr. Sylvain Turenne et Dr. Maxime Raison pour avoir accept´ e d’ˆ etre membres de mon jury. v R´ esum´ e Dans le cadre des travaux de recherche de la Chaire sur les composites ` a haute perfor- mance (CCHP) et dans une optique de r´ eduction des coˆ uts de fabrication, une ´ evolution du proc´ ed´ e d’infusion a ´ et´ e d´ evelopp´ ee ainsi qu’un nouveau type de moule d’injection. Ceux-ci ont ´ et´ e d´ evelopp´ es dans l’optique de fabrication de pi` eces de petites et moyennes dimensions applicables ` a l’industrie des sports et de l’automobile. Ces nouvelles avanc´ ees technologiques ont pour objectif principal de diminuer les coˆ uts de fabrication de pi` eces complexes en mat´ e- riaux composites. Un proc´ ed´ e permettant une r´ eduction des ´ etapes d’assemblage est d’abord propos´ ee, permettant une r´ eduction du coˆ ut de la main d’oeuvre. En utilisant une vessie sacriﬁcielle ferm´ ee, cette nouvelle technique permet de fabriquer en une seule infusion une pi` ece qui autrement devrait ˆ etre infus´ ee en deux parties, n´ ecessitant du mˆ eme coup une ´ etape d’assemblage. Le d´ eveloppement d’un nouveau type de moule permet de r´ eduire le coˆ ut de fabrication des moules RTM. Ce moule est compos´ e d’une paroi semi-rigide soutenue par une masse de poudre c´ eramique de Silicate d’Aluminium et dont la forme, qui est modiﬁable, est maintenue par l’application d’une pression de vide. Une s´ erie d’essais pr´ eliminaires ont permis de d´ emontrer la faisabilit´ e du proc´ ed´ e d’infu- sion sur vessie sacriﬁcielle ferm´ ee. Plusieurs pi` eces ont ´ et´ e fabriqu´ ees, permettant une s´ election ad´ equate du mat´ eriel composant la vessie. Cette nouvelle approche sera ensuite utilis´ ee pour fabriquer des pi` eces adapt´ ees aux besoins de la recherche industrielle, soit des pales d’´ eo- lienne d’une longueur de 1,5 m. Le moule permettant de fabriquer ces pi` eces est fond´ e sur un nouveau concept ` a base de poudres sous vide. Une s´ election des grains et une s´ erie d’essais m´ ecaniques ont permis de d´ eterminer qu’une poudre c´ eramique constitu´ ee de silicate d’alu- minium, un mat´ eriau abrasif couramment utilis´ e en fonderie, poss` ede des propri´ et´ es propices pour la fabrication d’un moule renforc´ e par cette nouvelle approche. Le proc´ ed´ e d’infusion sur vessie sacriﬁcielle ferm´ ee permet de fabriquer des pi` eces n´ ecessi- tant normalement une ´ etape suppl´ ementaire d’assemblage. Ce proc´ ed´ e s’est r´ ev´ el´ e consistant et capable de faciliter la fabrication de pi` eces complexes ` a coeur creux. De plus, il a produit des pi` eces d’une qualit´ e au moins ´ equivalente ` a celles fabriqu´ ees par les m´ ethodes tradi- tionnelles. La structure compos´ ee de poudre c´ eramique contrainte a montr´ e que la friction intergranulaire d’une poudre permet de r´ esister ` a la pression du moule. vi Les r´ esultats obtenus montrent que les options d´ evelopp´ ees dans ce travail pourraient ˆ etre envisag´ ees pour une application industrielle. Le proc´ ed´ e d’infusion sur vessie sacriﬁcielle ferm´ ee simpliﬁe la fabrication de pi` eces complexes tandis que le moule ` a base de poudre c´ era- mique sous contrainte est un outillage plus ´ economique et facilement modiﬁable. Ensemble, ces avanc´ ees favorisent une r´ eduction du coˆ ut de fabrication des mat´ eriaux composites et procurent aux entreprises des outils leur permettant de fabriquer des pi` eces composites avec un minimum d’investissement initial. vii Abstract As part of the research program driven by the High Performance Composite Design and Manufacturing Canada Research Chair (CCHP) and within the scope of reducing manufac- turing costs, a new variant of the infusion process was developed, as well as a new type of mold for Liquid Composite Molding (LCM). These technological advances aim to reduce manufacturing costs of composite materials. A method for reducing assembly steps is ﬁrst proposed, leading to a reduction of labor costs. Using a closed sacriﬁcial bladder, this new process allows to infuse a composite part in a single step. Previous processes have required two separate parts and an assembly stage. The development of a new type of mold structure can in turn reduce the cost of building RTM molds. This new mold is made of a semi-rigid skin, supported by aluminosilicate ceramic powder on which a vacuum pressure is applied, leading to a solid mass capable of ﬁtting complex shapes. A bench test is ﬁrst developed in order to provide proof of feasibility of the closed sacriﬁcial bladder infusion option. To facilitate the selection of the bladder material and get used to the new process, several parts were produced. Composite windblades of 1,5 m length were manufactured by the same process. The mold is based on a new concept with powders under stress. A selection based on grains morphology and series of mechanical tests concluded that aluminosilicate ceramic powder, an abrasive commonly used in foundry, is suitable for the new mold. The closed sacriﬁcial bladder infusion process has been proven to consistently produce, with a lower cycle time, parts of quality at least equivalent to those fabricated by traditional methods. A mold made of ceramic powder under vacuum has also successfully demonstrated that the intergranular friction of a powder could be used to withstand the internal pressure of an injection mold. Finally, the results of this study showed that the new approach developed in this project could be considered for industrial applications. The closed sacriﬁcial bladder infusion process aims at simplifying the manufacturing of complex parts while the stressed aluminosilicate powder allows fabricating economical and stiﬀmolds. Together, these advances contribute to reduce the costs of composite manufacturing and bring new tools to the industry, thus minimizing initial investment and adding ﬂexibility to the product development stage. viii Table des mati` eres D´ edicace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Industriel/2011-jean-francoisdesilets-pdf.pdf