Dissertations / Theses on the topic 'Soudage de polymères'

L’objectif de cette recherche doctorale a été d'estimer la soudabilité par laser des matériaux polymériques en fonction de leurs propriétés thermo-physiques. La première tâche, dans la recherche de cet objectif, a été de quantifier l'atténuation de la radiation dans les polymères semi-transparents en établissant la corrélation entre les propriétés optiques des inclusions et de la matrice du polymère, et la distribution spatiale de l'intensité laser les traversant, c'est à dire, en effectuant une modélisation des phénomènes optiques qui permet d’estimer la forme de la distribution du faisceau laser à l’interface des deux matériaux. Cette modélisation a permis aussi de découpler les facteurs influents et d’explorer leurs effets sur l’atténuation et l’élargissement du faisceau laser à travers un milieu semi transparent. L’étape suivante consiste à réaliser le couplage entre le modèle optique et le modèle thermique, fondé sur l’équation de la diffusion de la chaleur, afin de déterminer les champs de températures dans le volume des composants. Cette étude constitue une ouverture vers l’approche scientifique des processus de soudage par laser des thermoplastiques en offrant des méthodes et des techniques pour l’optimisation globale de ceux-ci
The purpose of the present study was to estimate the weldability of a polymeric material couple according to their thermal and optical properties. The first task in pursuit of this goal was to quantify the beam attenuation in the semi-transparent polymer by making connection between the optical properties of the bulk materials of which the heterogeneities and the medium are made and the laser intensity spatial distribution into the medium. This modeling allowed establishing the importance of each scattering parameter on the beam attenuation and its broadening at the exit of the semi-transparent polymer. The second step was to realize a connection between the optical model and a thermical one, based on the general heat transfer equation in order to determine the temperature field inside the two materials to be welded. This study represents an opening in the scientific approach of polymers laser welding process, offering in the same time new possibilities in global optimization of the process

Cette étude porte sur la caractérisation des matériaux constituant le revêtement isolant de pipeline offshore ainsi que la soudure réalisée entre les deux polymères semi-cristallins du revêtement au niveau de la jonction entre deux tubes successifs.L’épaisseur très importante du revêtement induit, au cours du procédé de soudage, des vitesses hétérogènes de chauffe et de refroidissement des matériaux. Ces dernières ont été caractérisées grâce à une instrumentation du procédé en site industriel. Une modélisation numérique intégrant les phases successives du procédé est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Cette modélisation permet de dresser une cartographie complète des champs de température dans l’ensemble du pipeline et plus précisément dans la zone de soudage.Cette étude nous a amené à réaliser une caractérisation des deux matériaux soudés au cours de leurs fusions et cristallisations qui représentent deux étapes cruciales lors du soudage. Une attention particulière a été portée au comportement rhéologique dans la zone de transition entre l’état fondu et l’état solide et inversement. Les données en refroidissement à différentes vitesses ont été corrélées avec le taux de transformation des matériaux.Les propriétés mécaniques des isolants ont été testées ainsi que celles des soudures en prélevant des éprouvettes sur les essais effectués en site industriel. Le peu de flexibilité du procédé industriel rend difficile une investigation de l’influence des paramètres de soudage. Une expérience « image », représentative des grandeurs industrielles, a donc été développée à l’échelle du laboratoire permettant de faire varier les paramètres de soudage. Il a été montré que le point de faiblesse de l’assemblage ne se situe pas au niveau de la soudure mais dans l’un des matériaux du revêtement
This PhD focuses on the characterization of the materials of the insulating coating of offshore pipelines as well as the welding made between the two semi-crystalline polymers of the coating at the junction of two consecutives pipes.The important thickness of the coating induces heterogeneous heating and cooling rates during the welding process. Those rates have been characterized through the implementation of thermal sensors during the industrial process. A simulation model of the different steps of the welding process is consistent with the experimental results. This simulation gives access to the thermal fields in the entire pipe and especially in the welding zone.This study allows us to characterize the two welded materials during their melting and crystallization which represent the two crucial steps during the welding. A particular attention has been drawn to their rheological behavior in the transition zone from the molten to the solid state and vice versa. The cooling data at different rates have been correlated with the transformation fraction of the materials.The mechanical properties of the insulating materials have been tested especially in the welding zone via the industrial process. However, the imposing infrastructure of the industrial process does not allow the study of the influence of welding parameters. To do so, a “mirror” experiment, representative of the industrial one, has been developed at a laboratory scale. Both the welding made via the industrial process and the “mirror” experiment have shown that the weak point of the structure is not the welding itself but one of the materials of the coating

Les matériaux thermoplastiques gagnent en popularité dans l'industrie aérospatiale en tant qu'alternatives aux métaux et aux thermodurcissables, offrant des avantages tels que la rapidité de fabrication, la réparabilité et la recyclabilité. Leur capacité à ramollir et à fondre sous l’effet de la chaleur leur permet d’être soudés sans avoir besoin d'incorporer de composants. De plus, certains thermoplastiques présentent une résistance aux environnements extrêmes, tels que des températures élevées et divers produits chimiques, ce qui les rend idéaux pour des applications exigeantes. Ces caractéristiques font des thermoplastiques des matériaux adaptés aux applications où la réduction du poids, les performances et la durabilité sont des critères essentiels. Dans ce contexte, le soudage par transmission laser (LTW) se révèle être une technique efficace pour le soudage des thermoplastiques en raison de sa simplicité, de sa précision et de sa capacité à produire des joints de haute qualité. Dans cette technique, un faisceau laser traverse une partie supérieure semi-transparente et est absorbé par une pièce inférieure absorbante, ce qui génère de la chaleur à l’interface pour faire fondre et fusionner les pièces. Le procédé LTW repose sur les propriétés thermochimiques et optiques des matériaux à souder. Le soudage laser de thermoplastiques semi-cristallins, tels que les polyaryléthercétone (PAEK), nécessite une attention particulière. Le polyéthercétonecétone (PEKK) a reçu moins d'attention que le PEEK en soudage laser. Cependant, le PEKK est un matériau encore plus prometteur pour le soudage laser par transmission en raison de sa cinétique de cristallisation modifiable par rapport au PEEK. Cette thèse doctorale étudie le procédé de soudage laser par transmission du PEKK, en se concentrant sur l'influence des propriétés du matériau et des paramètres de soudage sur la morphologie et les propriétés mécaniques du joint de soudure. La configuration d’assemblage consiste en un échantillon de PEKK quasi-amorphe sur une pièce de PEKK fortement cristallisée (PEKK-A/SC). Les propriétés thermophysiques et optiques des matériaux sont caractérisées afin de s’assurer qu'ils sont adaptés au LTW. Ensuite, les paramètres du procédé, tels que la puissance du laser et l’épaisseur de la pièce semi-transparente, sont systématiquement étudiés pour comprendre leur impact sur les propriétés du joint. Certains assemblages sont recuits à la température de cristallisation à froid du PEKK pour améliorer la qualité des joints soudés. La qualité des assemblages soudés et recuits est évaluée à l'aide d'essais mécaniques de cisaillement à simple recouvrement et de la microscopie. Le procédé LTW est modélisé à l'aide de la méthode des différences finies sous environnement MatLab, en incorporant le transfert de chaleur et la cinétique de cristallisation du PEKK. Cette modélisation a permis de comprendre l'histoire thermique des échantillons pendant le soudage et de prédire l'évolution de la cristallinité du joint de soudure en fonction des paramètres de soudage. Après avoir étudié et validé le procédé LTW pour le PEKK, la thèse étend l’étude LTW aux composites PEKK renforcés par des fibres courtes de carbone (PEKK-CF). Pour permettre le LTW des échantillons PEKK-CF, le PEKK quasi-amorphe est utilisé comme pièce supérieure pour l’assemblage. Cela représente un nouveau domaine de recherche, car aucune étude antérieure n'a été trouvée sur le soudage laser par transmission des composites PEKK-CF. Le soudage des échantillons de PEKK-CF est optimisé par des essais expérimentaux, et la qualité du joint de soudure est évaluée en faisant varier l’intensité de laser. Les résultats de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension du procédé de soudage laser par transmission du PEKK et de ses composites, et fournissent des lignes directrices pour optimiser les paramètres de soudage et améliorer la résistance des joints dans les applications industrielles
Thermoplastic materials are gaining popularity in the aerospace industry as alternatives to metals and thermosets, providing benefits such as fast manufacturing, repairability, and recyclability. Their ability to soften and melt allows them to be welded without needing to incorporate external components. Additionally, high-performance thermoplastics exhibit resistance to harsh environments, such as high temperatures and various chemicals, making them ideal for high-demanding applications. These features make thermoplastics suitable for applications in which weight reduction, performance, and durability are essential. Laser transmission welding (LTW) has emerged as an effective technique for welding thermoplastics due to its simplicity, precision, and ability to produce high-quality joints. In LTW, a laser beam passes through a semi-transparent upper part and is absorbed by a lower absorbent sample, generating heat at the interface to assemble the parts. The LTW process relies on the thermo-chemical and optical properties of the materials to be welded. Careful consideration is needed when laser welding semi-crystalline thermoplastics, like polyaryletherketones (PAEK). Polyetherketoneketone (PEKK) has received less attention than PEEK in laser welding. However, PEKK is a more promising material for LTW due to its unique crystallization properties compared to PEEK. The crystallization kinetics of PEKK can be modified, which provides better control of its crystallinity by manipulating processing parameters. This PhD thesis investigates the laser transmission welding process of PEKK, focusing on the influence of material properties and process parameters on the weld joint morphology and mechanical properties. The overlapping configuration consists of a quasi-amorphous semi-transparent PEKK sample over a highly crystallized opaque PEKK one (PEKK-A/SC). Thermo-physical and optical properties of the PEKK samples are characterized to ensure their suitability for LTW. Then, process parameters for LTW, such as laser power and thickness of the upper part, are systematically studied to understand their impact on weld joint properties. After welding, some assemblies are annealed at the cold crystallization temperature of PEKK to enhance joint quality. The quality of the weld joints is assessed by mechanical tests and microscopic observations. Single lap-shear tests are employed to identify the failure type and mechanical strength of assemblies. Microscopy is used to analyze failure zones and the weld joint morphology on the cross-section along the welding path. A numerical simulation of the LTW process of PEKK parts was developed in MatLab using the finite differences method, incorporating heat transfer and the crystallization kinetics of PEKK. This model provided insights into the thermal history of the samples during welding and predicted the evolution of weld joint crystallinity as a function of welding parameters. The developed simulations offer insights into the complex thermal and crystallization behaviors observed during LTW of PEKK parts. Furthermore, after studying and validating the LTW process for PEKK polymer, this thesis extends the LTW study to PEKK composites reinforced with short carbon fibers (PEKK-CF). To enable LTW of PEKK-CF samples, the quasi-amorphous PEKK is used as the upper part for the overlapping configuration. That represents a novel area of research, with no prior studies found on LTW of PEKK-CF composites. The welding of PEKK-CF samples is optimized through experimental trials, and the weld joint quality is evaluated under varying laser intensities and the thickness of the upper part. The findings from this thesis contribute to a deeper understanding of the LTW process for PEKK and its composites, providing valuable guidelines for optimizing welding parameters and improving joint strength in industrial applications

L’objectif de ce travail est d’étudier des applications de la technique laser aux matériaux polymères utilisés dans le packaging rigide des modules de puissance ferroviaire. La première partie de l’étude consiste à traiter la surface de divers polymères techniques par irradiation laser Nd:YAG pulsé. L’interaction laser/matière induit la création d’un micro-plasma. Différentes techniques de caractérisation (IRTF, angle de contact) mettent en évidence que le traitement sous air permet de nettoyer la surface du polymère par élimination d’un additif. Il s’en suit une réduction de l’affinité du polymère avec le fluide caloporteur utilisé pour refroidir les modules de puissance. Le même traitement sous d’autres atmosphères (argon ou oxygène) conduit au résultat inverse. Sous argon, le processus est thermoablatif tandis que l’oxygène permet une fonctionnalisation chimique de la surface. La seconde partie est consacrée à la mise au point d’une solution de soudage laser par transmission afin d’assembler les différents éléments en PEI du module de puissance. Nous avons alors réalisé un assemblage en PEI opaque et de couleur sombre. L’élément inférieur est rendu absorbant au laser par l’ajout de noir de carbone. L’élément supérieur, transparent au laser mais opaque au visible, est obtenu grâce à deux solutions. La première nécessite l’ajout d’un colorant organique. La seconde, plus adaptée aux hautes températures est basée sur l’utilisation d’un pigment minéral. Enfin, le procédé est modélisé pour obtenir l’évolution spatiale et temporelle de la température dans l’assemblage lors du soudage
This work aims to investigate the possible applications of laser technology on polymeric materials used in the rigid packaging of railway power modules. The first part of this study was devoted to the treatment of technical polymer surfaces by Nd:YAG laser irradiation. The laser-polymer interaction leads to the creation of a micro-plasma. Results get by FTIR spectroscopy and contact angle show that, under air atmosphere, this plasma can be applied for removing the additive from surfaces. Then, we have an affinity reduction between the polymer and the cooling liquid used in power modules. The opposite behaviour was observed with the same treatment under other atmospheres (argon or oxygen). Under argon atmosphere, the treatment leads to a thermo-ablation of the surface whereas under oxygen atmosphere, it leads to the grafting of new chemical functions on the surface. The second part was dedicated to the development of an innovative laser methodology based on transmission-welding to assemble power modules made with various PEI elements. Then, we have prepared a PEI assembling fully dark and opaque. The lower element is made with carbon black in order to absorb the laser wavelength. The higher element, transparent for the laser wavelength but absorbent in the visible light, is obtained with two solutions. The first one is based on the addition of organic dye. The second one, more suitable to high temperature requires mineral pigment. The last part was dedicated to the simulation of the spatial and temporal evolution of the temperature in the whole assembly during the laser welding

L'arrivée des aéronefs bas carbone à l'horizon 2035 s'annonce être un bouleversement pour la motorisation, et un véritable défi d'un point de vue des matériaux à mettre en œuvre. Le développement des technologies de soudage va de pair avec l'incorporation progressive de composites thermoplastiques. Parmi elles, le soudage par ultrasons nécessite encore une montée en maturité pour prendre une dimension industrielle, ce qui commence par la maîtrise du soudage statique. Cette technique d'assemblage implique l'emploi d'un équipement spécifique capable de délivrer des vibrations ultrasoniques à travers un mode de contrôle défini, tout en appliquant une pression. Elle nécessite également l'incorporation d'un film de polymères entre les surfaces à souder : le directeur d'énergie. Des éprouvettes en composite CF/PEEK, calibrées en épaisseur, ont été fabriquées par thermocompression. La matrice PEEK a été choisie pour ses performances mécaniques et sa capacité de cristallisation rapide, tandis que deux matériaux différents ont été utilisés comme directeurs d'énergie : le PEI et le PEEK. Une nouvelle méthodologie d'optimisation du soudage par ultrasons a été mise au point, en donnant aux courbes de soudage la forme désirée. Cette méthode se base sur l'emploi de phases multiples de soudage : le multimode. Elle garantit des résistances d'assemblage des composites CF/PEEK > 40 MPa et promet une optimisation rapide de tout assemblage comprenant des matériaux compatibles. L'importance de la nature et de la surface du directeur d'énergie a été démontrée. L'étude de mélanges modèles de PEEK et de PEI a permis d'écarter des hypothèses sur l'origine de la rupture des assemblages. Les températures ont été mesurées de façon peu intrusive pendant le soudage au moyen de réseaux de Bragg, apportant la preuve de l'hétérogénéité thermique dans l'interphase. Cette zone qui entre en fusion pendant l'activation des ultrasons atteint des températures comprises entre 500 et 700°C. La cinétique rapide du procédé permet des temps d'assemblage de l'ordre de quelques secondes. Les interphases soudées ont été visualisées à l'aide d'un microscope numérique, permettant de valider une méthode de contrôle manuelle
Low-carbon aircraft by 2035 are expected to be a major change in motorization, and a real challenge in terms of new materials. The development of welding technologies is closely linked to the growing use of thermoplastic composites. However, ultrasonic welding still needs significant advancements to reach an industrial scale, starting with the mastery of static welding. This assembly technique involves specific equipment designed to deliver ultrasonic vibrations through a defined control mode, while applying pressure. It also requires a polymer film to be incorporated between the surfaces to be welded: the energy director. Thickness-calibrated specimens of CF/PEEK composite were manufactured by thermocompression. The PEEK matrix was chosen for its mechanical performance and rapid crystallization capacity, while two different materials were used as energy directors: PEI and PEEK. A new methodology was developed to optimize ultrasonic welding, by giving the welding curves the desired shape. This method is based on using multiple welding phases: multimode. It ensures CF/PEEK composite joining strengths > 40 MPa and promises rapid optimization of any assembly using compatible materials. The significance of nature and surface of the energy director was demonstrated. Hypotheses concerning the origin of joint failure were discarded by studying model blends of PEEK and PEI. Temperatures during welding were measured with minimal intrusion using Fiber Bragg gratings, providing evidence of heterogeneous heating in the interphase. This region, which melts during ultrasound activation, reaches temperatures of between 500 and 700°C. The rapid kinetics of the process enable assembly times on the order of a few seconds. The welded interphases were visualized using a digital microscope, validating a manual inspection method

Le soudage par vibration est un procédé largement utilisé dans l’industrie automobile pour assembler des pièces en polymère. Lorsque la matière à souder ne contient pas de renforts, le coefficient de soudage, défini comme le rapport entre la contrainte à la rupture du matériau soudé et celle du matériau non soudé est proche de 1. En revanche, il devient difficile d’obtenir des coefficients de soudage dépassant 0,6 lorsque le matériau contient des fibres de verre. Afin de mieux comprendre pourquoi, différents grades de polyamide (PA) 6 et 66 renforcés à 30% de fibres ainsi que du polypropylène (PP) à 0, 20, 35 et 50% de fibres ont été injectés en plaques et soudées par vibration. Pour les échantillons en PA, des corrélations sont obtenues entre la contrainte à la rupture des assemblages soudés et l’orientation des fibres mais aussi avec l’épaisseur de la zone soudée déterminée par tomographie RX. L’étude sur les échantillons en PP indique que des cavités, probablement nocives, sont présentes uniquement dans la zone soudée des polymères renforcés. Leur présence est alors principalement attribuée à la réorientation des fibres pendant l’opération de soudage. Enfin, une simulation par éléments finis du comportement mécanique jusqu’à la rupture a été réalisée sur une éprouvette maillée comprenant une zone soudée. Les résultats obtenus mettent en exergue un phénomène d’amplification et de redistribution des contraintes dans la zone soudée en raison du confinement. Cette triaxialité générée favorise la croissance et la coalescence des cavités dans la zone soudée expliquant ainsi l’affaiblissement de la contrainte macroscopique uniaxiale à la rupture
Vibration welding is a common process used in automotive industry to assembly polymer parts. For pristine polymers, welding ratio, defined as the ratio between weld strength and tensile strength of non-welded material, is close to 1. However, for glass-fiber reinforced polymers, welding ratios are around 0.6 at best. In order to understand this discrepancy, several grades of polyamide (PA) 6 and 66 reinforced with 30% glass fibers as well as polypropylene (PP) with 0, 20, 35 and 50 % glass fibers have been injected in plates and vibration welded. A linear relationship was obtained between tensile strength of welded and non-welded PA specimens and their glass fiber orientation. Correlations were also found when plotting weld strength of samples regarding their welded zone thickness. In addition, voids are present only in the welded zone of glass fiber reinforced specimens, indicating that these voids are due to reorientation of fibers during the welding process. Finally, finite element modeling of mechanical behavior up to failure has been applied on a meshed specimen with a welded zone. Results show an amplification and distribution of stresses in the three directions inside the welded zone due to geometrical confinement. This generated triaxiality promotes growth and coalescence of cavities in the welded zone, explaining the weakening of the macroscopic uniaxial stress at failure

Le soudage par friction linéaire du bois permet de joindre deux pièces en bois en quelques secondes sans utiliser aucun adhésif. L'adhésion est essentiellement due à l'enchevêtrement des fibres de bois bloquées dans une matrice de matériel inter-cellulaire fondu et re-durcit. Mais le mécanisme de la formation de l'interface adhérente, l'influence des paramètres machine et de ceux du substrat sont peu connus.
L'objectif de ce travail a donc été d'analyser les différents facteurs influençant les caractéristiques du joint pour comprendre les mécanismes physiques et chimiques mis en jeu lors du processus. La mesure de la température de soudage par thermographie infrarouge a apporté de multiples informations. D'autre part les pièces de bois soudées ont été caractérisées par des observations microscopiques, mécaniques, une étude du comportement à la rupture, des analyses chimiques de l'interface et des fumées. Les résultats ont permis d'élaborer un scénario physico-chimique du développement de la microstructure interfaciale et de le vérifier. Un premier modèle numérique thermique a été élaboré pour le soudage linéaire de Fagus sylvatica.
La dernière partie de l'étude concerne la compréhension de l'influence du substrat. Ceci a permis d'aborder les problèmes de variabilité issus de l'essence de bois, de l'anatomie du bois ou encore de l'état de surface. Les bois modifiés et des produits dérivés du bois ont pu être soudés avec succès.
Enfin les résultats de la recherche on pu être mis en application à une échelle pré-industrielle soulevant ainsi de nouvelles problématiques scientifiques et techniques mais aussi montrant un grand potentiel d'optimisation de la technologie.

L'extrême variété d'architecture moléculaire et de morphologie cristalline du polyéthylène (PE) pennet l'obtention d'une gamme de matériaux aux propriétés très diverses. Des mélanges et assemblages de différents PE ont été réalisés afin de mieux cerner la compatibilité entre les matériaux et I'influence sur les propriétés mécaniques résultantes. Dans cette étude, deux copolymèrcs métallocènes polyéthylènes ultra basse densité (UL) et linéaire basse densité (LL), et un polyéthylène haute densité (HD) issu de la polymérisation Ziegler-Natta ont été utilisés. Les mélanges binaires réalisés par extrusion ont été caractérisés à l'aide de nombreuses techniques expérimentales complémentaires : la rhéologie dynamique afin d'évaluer la miscibilité à l'état fondu, l'analyse thermique pour déterminer le comportement à la fusion et les cinétiques de cristallisation, la microscopie AFM et la diffusion des rayons X pour l'étude morphologique à différents niveaux d'échelle. La séparation de phase semble être un phénomène prédominant pour les espèces étudiées, avec une faible solubilité mutuelle. Il s'avère toutefois qu'une phase semi-cristalline à gradient de composition se développe à l'interface des domaines ségrégés, Du fait de la distribution assez large des unités comonomères au sein de ces matériaux, les chaînes structurellement "cousines" constituent un facteur favorable de miscibilité et de co-cristallisation partielles. L'incidence de cette organisation structurale sur l'efficacité du soudage d'assemblages bicouches a été évaluée par des tests mécaniques
The extremely large variety of molecular architecture and crystal morphology of polyethylene (PE) materials results in a wide range of properties of these materials. Different types of PE were blended and assembled in the aim to understand their compatibility and the resulting mechanical properties. ln this study, two ethylene-octene copolymers, i.e. an ultra low density polyethylene (UL) and a linear IOl\" density polyethylene (LL) from the metallocene catalysis, and a high density polyethylene (HD) obtained by Ziegler-Natta polymerization, were used. Binary blends were processed by extrusion and characterized by several complementary techniques:dvnamic melt rheology in the aim to study the miscibility in the melt, thermal analysis to determine the melting behavior and the crystallization kinetics, MFA microscopy and X-ray diffusion for the morphology investigation at various scale levels. The phase separation seems to apply to every blend of this study, with a low mutual solubility. However. a semi-crystalline phase with a composition gradient has been shown to occur at the intertàce of the unlike phases. Due to the quite broad distribution of the co-units in the se materials, the presence of structurally similar chains in the components creates an opportunity for partial miscibility and co-crystallization. The incidence of this structural organisation on the efficiency of welding of bilayer assemblies was assessed by mechanical testing

Le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques est un procédé innovant qui permet de créer sans outillage, à partir d'une modélisation géométrique numérique, des pièces de géométrie complexe en quelques heures. La fabrication dite additive est réalisée par étalement successif de couches de poudre thermoplastique de quelques dizaines de micromètres, dont une partie est fondue sous rayonnement laser et refroidie lentement afin de permettre la densification de la poudre par diffusion de l'air emprisonné. La résistance mécanique finale du matériau dépend fortement de cette densification. Un grand nombre de paramètres procédé et matériau influencent les mécanismes physiques mis en jeu qui sont contrôlés par la thermique du procédé. La clé de la maîtrise de ce procédé réside dans la parfaite maîtrise de la thermique du lit de poudre. Cette étude a pour objectif de modéliser le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques haute température de type PEEK. Dans un premier temps, une simulation microscopique de la fusion laser d'un lit de poudre préchauffé et de la coalescence des grains est développée à l'aide de la méthode C-NEM implémentée sur le logiciel Matlab. Les cycles thermiques, la densification et le soudage des grains sont étudiés en fonction des paramètres matériau et procédé. Dans un second temps, l'étude de la thermique d'une couche de poudre à l'état liquide refroidie par apport d'une nouvelle couche de poudre par-dessus est menée à l'aide d'un logiciel éléments finis commercial. L'objectif est de définir les conditions d'étalement permettant au polymère fondu de rester à l'état liquide.

Les technologies de placement de plis ou d’enroulement filamentaire de composite à matrice thermoplastique avec consolidation en continu ont fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années. Ces études ont porté principalement sur des composites à base de matrice thermoplastique semi-cristalline comme le poly(éther éther cétone) (PEEK) renforcée de fibres de carbone. L’objectif de la thèse est de déterminer les lois de comportement du composite fibres de carbone/matrice thermoplastique lors de la mise en œuvre afin de déduire quelle étape gouverne le processus de soudage et quels sont les paramètres procédés et matériaux influençant sa durée. Dans ce but, les principales propriétés de la matrice utiles à l’étude ont, dans un premier temps, été déterminées. Une attention particulière a été portée sur la dégradation thermique. Les analyses en thermogravimétrie ont ainsi permis d’évaluer sa cinétique de dégradation. Dans un deuxième temps, les mécanismes de contact intime et d’autohésion, responsables du soudage, ont été étudiés à partir de modèles. Pour cela, les mesures de rugosité de surface et de viscosité ont été intégrées au modèle de contact intime. Le temps de diffusion de la matrice a été déterminé par rhéologie puis intégré au modèle d’autohésion. Enfin, l’influence des paramètres procédé (temps, température et pression) et matériau (masses molaires et rugosité) sur les mécanismes de formation de l’interface et ses performances mécaniques a été évaluée expérimentalement par des tests d’adhérence (clivage et pelage) et comparée aux modèles
The automated tow placement or filament winding processes of thermoplastic-based composites have been intensively studied in recent years. These studies concerned mainly composites with thermoplastic semi-crystalline matrices as carbon fiber reinforced poly(ether ether ketone) (PEEK). The thesis objective is to understand the physical mechanisms taking place in a thermoplastic-based composite during the welding in order to deduce which step governs the welding process and what are the parameters influencing its duration. First, the main properties of matrix of interest for this study were determined, in particular its thermal degradation. The thermal gravimetric analysis thus allowed to evaluate the kinetics of degradation. Secondly, the mechanisms of intimate contact and self-adhesion responsible for welding were studied using models. For this, surface roughness and viscosity measurements were included in the model of intimate contact. The diffusion time of matrix was determined by rheology and integrated into the self-adhesion model. Eventually, the influence of process (time, temperature and pressure) and material (molecular weight and roughness) parameters on the mechanisms of interface formation and its mechanical performance was evaluated experimentally by adhesion tests (wedge test and peeling ) and compared with models

Cette étude visait à améliorer la compréhension des principaux phénomènes (interdiffusion et cristallisation) impliqués dans l'adhésion de composites thermoplastiques semi-cristallins (PEEK ou PPS renforcés de fibres de carbone) et à optimiser le procédé d'empilement avec soudage et consolidation en continu. L'utilisation d'un nouveau dispositif expérimental de soudage a permis de découpler les paramètres du procédé (temps, température, pression), et d'explorer leurs effets sur la qualité des assemblages réalisés, évaluée par test de clivage en coin. Les cinétiques de cristallisation ont été déterminées expérimentalement, dans des conditions similaires aux essais de soudage, puis modélisées. Les temps de relaxation des polymères ont été caractérisés par rhéologie pour évaluer les cinétiques d'interdiffusion. Finalement, l'évolution de la température d'interface lors du procédé a été étudiée expérimentalement et modélisée pour expliquer les différences d'énergie d'adhésion mesurées.

Les lignes de soudure de flux d'écoulement dans les pièces injectées en polymère sont des défauts non encore maîtrisés et qui génèrent des affaiblissements mécaniques souvent aléatoires et nuisent ainsi a la fiabilité des pièces. L'analyse bibliographique montre également que tous les polymères n'ont pas la même sensibilité vis-à-vis de la ligne de soudure. Des différences de comportement sont en effet observées entre le polystyrène et le polycarbonate qui appartiennent pourtant a la même famille de polymères amorphes. Une analyse de fond du problème est donc nécessaire afin de connaître. Les mécanismes générateurs des lignes de soudure en fonction des paramètres physiques, géométriques et technologiques lies au matériau, a la pièce, au moule et au procède. Les affaiblissements mécaniques engendres. Les remèdes possibles pour éviter de tels affaiblissements. Le présent travail propose donc, en fonction de la nature des polymères et des paramètres géométriques, physiques et technologiques de mise en forme, d'une part d'analyser a l'échelle macroscopique les mécanismes de formation et les affaiblissements mécaniques, d'autre part d'expliquer et de calculer a l'échelle microscopique et moléculaire cet affaiblissement de cohésion a partir des particularités morphologiques locales, et de proposer ainsi des remèdes.

Ce travail de thèse découle du regroupement de plusieurs équipementiers aéronautiques (Technofan, Microturbo, Liebherr Aerospace) et de laboratoires de recherche (Ecole des Mines d'Albi, Université Paul Sabatier de Toulouse). L'objectif des travaux est de parvenir à la maîtrise de la qualité structurelle de pièces en polyétherimide renforcé par fibres de verre courtes, injectées sous haute pression. Le premier chapitre propose un état de l'art des connaissance scientifiques et techniques relatives au processus d'injection et aux défauts d'ordre structurel. Deux types de défauts sont identifiés comme représentant la majorité des cas rencontrés : les lignes de soudure et les vacuoles. Ces deux familles sont étudiées en détails dans la suite du document. Un déséquilibre notable apparaît entre les connaissances relatives à ces deux types de défauts structurels. Plusieurs outils numériques et expérimentaux sont ensuite mis en place dans le chapitre II. Nous décrivons en premier lieu les méthodes de calcul utilisées dans le logiciel de simulation d'injection Moldflow. Un travail est également mené sur une méthodologie de représentation de l'état d'orientation des renforts au sein des pièces injectées. Le chapitre III correspond à l'ensemble des travaux concernant les lignes de soudure. Nous différencions les lignes de soudure frontales des lignes de soudure adjacentes. Ces dernières présentent de fortes potentialités d'optimisation. Nous étudions en particulier la dépendance de ces défauts par rapport au procédé de mise en forme. Une méthodologie de renforcement des lignes de soudure adjacentes par décalage volumique est également développée. Ces travaux aboutissent à une meilleure connaissance des liens entre le procédé d'injection et les lignes de soudure. Le chapitre IV correspond pour sa part à l'ensemble des travaux concernant les vacuoles. L'étude menee a pour but de proposer des méthodes de prévision et de contrôle de ce type de défaut dans les pièces de forte épaisseur. Des études expérimentales nous éclairent de surcroît sur la morphologie de ces défauts et sur leurs modes de formation. Enfin, plusieurs applications de ces travaux sont proposées. Ils débouchent par ailleurs sur des perspectives scientifiques très encourageantes.

La fabrication additive est l’un des secteurs industriels les plus en développent ces dernières années. L’une de ces technologies de fabrication les plus prometteuses est la fusion laser sélective (SLS), et relève d’un intérêt croissant aussi bien industriel qu’académique. Néanmoins, beaucoup de phénomène mis en jeu par ce procédé demeure non encore bien compris, entravant ainsi son développement pour la production de pièces de bonne qualité pour des applications industrielles. L’objectif de cette thèse est de développer un cadre de simulation numérique permettant la simulation du procédé SLS pour des poudres de polymère afin de comprendre les multiples et complexes phénomènes physiques qui se produise lors du frittage laser et d’étudier l’influence des paramètres du procédé sur la qualité du produit final. Contrairement aux approches classiques de modélisation numérique, basées sur la définition de matériaux homogène équivalents pour la résolution des équations de bilan, nous proposons une simulation globale du procédé du frittage laser de poudres, en utilisant la méthode des Eléments Discrets (DEM). Cela consiste en un couplage entre quatre sous-modèles : transferts radiatif dans le milieu granulaire semi-transparent, conduction thermique dans les milieux discrets, coalescence puis densification. Le modèle de transferts par rayonnement concerne l’interaction du faisceau laser avec le lit de poudre. Plusieurs phénomènes sont ainsi pris en compte, notamment la réflexion, la transmission, l’absorption et la réfraction. De plus, une méthode de Monte-Carlo couplée à la méthode du Lancer de rayons est développée afin d’étudier l’influence de la réfraction sur la distribution de l’énergie du laser dans le lit de poudre. Le modèle de conduction dans des milieux discrets décrit la diffusion thermique inter-particules. Finalement, le modèle de frittage décrit les cinétiques de coalescence et de diffusion de l’air dans le polymère et densification du milieu. Cela permet de décrire les cinétiques de fusion des grains, dont l’énergie de surface et la diffusons de l’air sont les deux moteurs principaux. Le couplage entre les différents modèles nous a permis de proposer un modèle numérique global, validé grâce à des comparaisons à des résultats de simulations théoriques et expérimentales, trouvés dans la littérature. Une analyse paramétrique est alors proposée pour la validation du modèle et l’étude du procédé. L’influence de différents paramètres aussi bien du procédé que du matériau sur le champ de température, la densité relative du matériau sa structure, etc , est ainsi investiguée. Les résultats montrent une bonne précision dans la modélisation des différents phénomènes complexes inhérents à ce procédé, et ce travail constitue un potentiel réel pour la modélisation et l’optimisation des procédés de fabrication additive par matériaux granulaires
Many industrial and academic interests concerning the additive manufacturing processes are developed in the last decades. As one of the most promising technique of additive manufacturing, the Selective Laser Sintering (SLS) has been valued by both industry and academic. However, it remains that several phenomena are still not well understood in order to properly model the process and propose quality improvement of parts made. The goal of this Ph.D. project is to develop a framework of numerical simulation in order to model the SLS process in polymer powder bed, meanwhile understanding multiple physical phenomena occurring during the process and studying the influence of process parameters on the quality of final product. In contrast to traditional approach, based on the equivalent homogeneous material in numerical modeling of partial differential equations derived from conservation laws, we propose a global model to simulate powder-based additive manufacturing by using the Discrete Element method (DEM). It consists in a coupling between four different physical models: radiative heat transfer, discrete heat conduction, sintering and granular dynamics models. Firstly, the submodel of radiative heat transfer concerns the interaction between the laser beam and powder bed. Several phenomena are considered, including the reflection, transmission, absorption and scattering. Besides, a modified Monte Carlo ray-tracing method is developed in order to study the influence of scattering on the distribution of the deposited laser energy inside the powder bed Furthermore, the submodel of discrete heat conduction describes the inter-particles heat diffusion. Moreover, the sintering submodel concerns the phenomena of coalescence and air diffusion. It describes the melting kinetics of grains, driven by surface tension and the release of entrapped gases inside powder bed. Finally, the granular dynamics submodel concerns the motions and contacts between particles when depositing a new layer of powders. The coupling between these submodels leads to propose a global numerical framework, validated by comparing the results to both simulated and experimental ones from literatures. A parametric study is then proposed for model validation and process analysis. The Influence of different material and process parameters on the evolution of temperature, relative density and materials structure and characteristics are investigated. The results exhibit accurate modeling of the complex phenomena occurring during the SLS process, and the work constitute a great potential in modeling and optimization of additive processes