Prédiction, réduction et étude des dégradations impactant les conditions du tissage 3D – PREDICTISS-3D

En raison de la complexité des phénomènes et des matériaux en jeu (matériau fibreux), une approche multi-échelle est envisagée avec : 1) un monitoring du procédé (machine à tisser) pour évaluer les interactions interfils à grande échelle, couplée à : 2) une analyse des frottements sur un système fils/fils simple (isolé banc de laboratoire) permettant la détermination des paramètres tribologiques.

L’analyse des frottements fil/fil par mesure directe sur banc de laboratoire et indirecte, via la tension des fils, sur métier à tisser ont permis de mettre en évidence la prépondérance des interactions interfilamentaires lors des mouvements commandés par la machine à tisser selon leur comportement au frottement (statique, dynamique, configuration de positionnement des fils) sur la santé du tissu produit. Plus précisément, les mesures sur banc de laboratoire générant des frottement fil contre fil unitaires ont nécessité le développement d’un banc unique au monde simulant les cinématiques et tensions du tissage. Ces essais ont mis en évidence l’impact de l’imbrication des filaments de deux fils en contact et de la torsion des fils sur les forces en jeu et sur l’endommagement. A l’échelle procédé, la caractérisation du procédé de tissage a été obtenue : 1) Par la mesure de tension de fils d’étude via des tensiomètres situés à diverses positions du fil ou de ses éléments de commande. 2) Le suivi de la position du fil par caméra rapide. Le nouveau paradigme remplaçant la définition d’une armure d’un tissu en type de croisements fil/fil, couplé à de l’analyse spectrale de la tension (traduisant la dégradation) et au suivi de la position des fils a permis de mettre en évidence que, pour un même nombre de fils en mouvement, le paramètre prépondérant est le nombre d’interactions entre fils lors du croisement caractérisé par le nombre de fils en mouvement et le type de mouvement.

Perspectives à court terme :
Le fait que les interactions entre fils interviennent jusqu’à l’échelle interfibres – d’une dizaine de micromètres – rend la visualisation des phénomènes complexe. Nos hypothèses portant sur les modes d’interactions fil/fil voire fibre/fibre seront confrontées par le suivi à haute vitesse des filaments durant le croisement.

Walther, J.; Tourlonias, M.; Decrette, M.; Bueno, M.-A. Influence of multifilament yarn twist on yarn-to-yarn friction behavior: Application to carbon fiber weaving. Compos Part A: App Sci and Manuf. 2023, 174, 245-262.

Walther, J.; Bessette, C.; Decrette, M.; Toulonias, M.; Osselin, J-F.; Charleux, F.; Coupé, D.; Bueno, M-A. Interactions between tows during interlock weaving process. In Proceedings of the 9th 3D Fabrics Conference, April 2021.

Walther, J.; Tourlonias, M.; Decrette, M.; Krügl, S.; Bueno, M-A. Experimental simulation of carbon and glass tows friction during weaving process. In Proceedings of the 20th AUTEX Conference, September 2021.

Afin d’alléger les structures, l’usage des matériaux composites s’est étendu à des secteurs industriels divers et des fonctions toujours plus complexes et critiques dans les technologies de pointe (aubes de turbines d’avion). L’emploi de structures textiles 3D et en particulier du tissage 3D multicouches pour la fabrication de renforts textiles a permis une forte amélioration des performances des composites du fait de leurs propriétés (maîtrise de l’orientation des fils, bonne résistance au délaminage, ratio performances/poids élevé). La production des préformes lors du tissage génère néanmoins des dégradations du matériau par usure des fils en raison de leur sensibilité aux frottements et des densités importantes de fils qui sont employées. Pour l’heure ces dégradations engendrent des pertes de productivité et de propriétés mécaniques par rapport au fil vierge difficilement quantifiables en amont.
Ce projet vise à étudier les dégradations des fils in-situ lors du tissage, puis plus finement ex-situ sur banc de frottement pour mettre en lumière des corrélations entre les fils utilisés, l’armure tissée, les frottements, les dégradations générées et les propriétés mécaniques du produit fini. L’objectif final est de déterminer des conditions optimales de tissage limitant ces endommagements. Ces résultats seront intégrés dans programme permettant de prédire les dégradations en amont et d’optimiser les paramètres de tissage pour réduire ces endommagements. Safran Group soutient ce projet et des essais à l’échelle industrielle seront réalisés chez ce partenaire pour valider les résultats obtenus.
Pour remplir ces objectifs, le projet PREDICTISS-3D s’organise autour de cinq tâches :
- caractérisation des dégradations et monitoring du procédé à l’aide de protocoles spécifiques à mettre au point et d’un ensemble de moyens de mesures pour discerner les divers évènements entrant en jeu pendant le procédé,
- caractérisation des fils, renforts et composites obtenus par le procédé de tissage pour faire le lien à terme entre les tissus réalisés et les propriétés mécaniques attendues,
- simulation expérimentale du comportement tribologique des fibres et fil sur banc de laboratoire pour mettre en lumière les corrélations entre les mouvements des fils pendant le procédé et les frottements générés et identifier les conditions critiques,
- modélisation des mécanismes d’endommagement et prédiction des propriétés mécaniques qui permettront d’adapter les paramètres de tissage afin d’éviter les cas critiques en amont de la mise en production,
- validation à l’échelle industrielle des résultats obtenus.
La synergie des compétences transdisciplinaires et uniques de l’équipe portant à la fois sur le procédé de tissage et la tribologie textile, associée à l’expertise et l’expérience du partenaire industriel permettra une approche originale pour l’optimisation du procédé de tissage 3D et des performances des renforts de composites.
D’un point de vue scientifique, les résultats viseront à mieux comprendre les phénomènes de frottement dans le tissage 3D en vue d’optimiser le procédé (qualité, cadence) et d’améliorer les performances des préformes produites. Le projet s’inscrit donc dans la démarche d’usine du futur en favorisant une technologie de production en croissance et en mettant en œuvre des technologies innovantes de mesure et de contrôle. L’impact industriel et économique escompté est un renforcement de la position des acteurs nationaux dans le secteur des composites à hautes performances. L’amélioration de la production permettra l’usage de ces matériaux pour des applications particulièrement critiques et une généralisation vers des applications à valeur ajoutée moins élevée (transport automobile par exemple). Le projet aura donc également un impact sur le plan sociétal et environnemental en participant à la réduction des émissions de polluants et de gaz à effet de serre.