L'induction magnétique et les composites

Présentation

Un matériau composite à fibre de carbone longue est un empilement de plusieurs plis ayant une épaisseur d'environ 140 µm chacun. Un pli est composé d'une matrice polymère thermoplastique renforcée par des fibres toutes orientées dans la même direction. Pourtant, l'orientation des fibres entre différents plis peut être différente afin d'assurer la tenue mécanique voulue.

Composite stratifié

L'objectif de l'IREENA est de mettre en place des outils d'aide à la conception et à l'optimisation de procédés d'élaboration ou de CND des composites par induction magnétique. Cela passe par le développement d'outils de modélisation multi-physique et multi-échelle. 

Modélisation de l'interaction entre composite et induction magnétique

Le développement de ces modèles passe par une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. Cela passe par une modélisation 3D à l'échelle microscopique et macroscopique des interactions entre les ondes électromagnétiques et les matériaux composites. De par la nature de ces matériaux ce type de modélisation rencontre de nombreuses difficultés. Tout d'abord le facteur d'échelle : le rapport entre l'échelle d'un composite et d'une fibre de carbone est important ce qui rend impossible l'étude du matériau complet à l'échelle d'une fibre. Il est alors nécessaire d'utiliser des techniques d'homogénéisation. Une autre difficulté est le caractère anisotrope des composites en effet leurs propriétés sont différentes selon la direction ce qui oblige une modélisation 3D où la nature tensorielle des propriétés physiques doit être pris en compte. De plus, les propriétés thermiques et électromagnétiques sont fortement non linéaires. Il est également possible d'avoir une source électromagnétique qui se déplace par rapport à la pièce à chauffer. Pour finir, limiter le coût numérique des modèles est nécessaire afin de pouvoir réaliser des études paramétriques en vue de l'optimisation de procédé.

Modélisation des interactions entre les composites et l'induction magnétique

Ces problématiques ont fait l'objet de plusieurs travaux de thèses. Deux thèses sont actuellement en cours.

Identification des propriétés électriques

La pertinence des résultats obtenus par simulation dépend énormément des paramètres d'entrées, notamment les propriétés physiques des matériaux. L'IREENA travaille sur l'identification des propriétés électriques de matériaux composite. Cette identification se base à la fois sur des méthodes prédictives et à la fois sur des caractérisations expérimentale (méthode inverse).

La qualification de ces propriétés nécessite le développement de nouvelles méthodes numériques spécifiques tenant compte des phénomènes d'échelles (homogénéisation), de percolation, de pontage magnétique, des non linéarités et des différentes natures d'inclusions.

Ces travaux se sont notamment inscrits dans le cadre du FUI ACCEA porté par la région Basse-Normandie avec une thèse actuellement en cours et ont également mené à la réalisation d'un banc d'essai.

Outils

Code de calcul maison réalisés sous environnement Matlab©, Banc de mesure de conductivité et perméabilité de matériaux.

Réalisations

Banc de soudage dynamique 1D (localisé à l'IREENA) et 3D (localisé sur le site Airbus de l'IRT Jules Vernes), banc de caractérisation des propriétés électriques et magnétiques (banc volt-ampérmétrique de précision et cadre d'Epstein)

Partenariats

Industriels : Airbus Group, EADS-IW, Aérolia, Arkema

Projets : FUI ACCEA « Amélioration des Conductivités des Composites pour Equipements Aéronautiques », 

Mots Clefs

CND, matériaux composites, soudage, modélisation numérique, multi-physique, multi-échelle, homogénéisation, ...