Modélisation multi échelle et étude expérimentale de l’endommagement dans les pièces composites obtenues par impression 3D – MMELED

Ce projet porte l’impression 3D par frittage laser sélectif (SLS) de poudres composites PA12/billes de verre pour la fabrication de pièces pour l’industrie aérospatiale. L'un des points critiques des composites à matrice polymère pour des utilisations dans des systèmes aérospatiaux est la tenue à la rupture et en fatigue de ces nouveaux matériaux. Les objectifs de ce projet se centreront sur l’étude et l’optimisation des matériaux composites obtenus par SLS à base de poudres composites et de leur résistance à la fissuration.

Les objectifs de ce travail seront de comprendre les mécanismes de rupture dans ces matériaux fortement hétérogènes par des approches combinant caractérisation expérimentale des réseaux de fissures par imagerie à l’échelle de la microstructure et simulation numérique. Les modèles d’endommagement microscopiques identifiés seront utilisés pour construire des modèles à l’échelle des pièces tenant compte des spécificités liées au matériau et aux procédés (hétérogénéités, forte anisotropie…) et de les relier aux paramètres du procédé en vue d’optimisations. A ce jour, les mécanismes d’endommagement dans les matériaux obtenus par impression 3D sont très mal compris, encore moins dans le matériau envisagé obtenu par poudres composites. Les objectifs présentés impliquent de très nombreux défis liés à la simulation numérique de réseaux de fissures complexes dans des matériaux fortement hétérogènes, à la détection de ces fissures par imagerie expérimentale lors d’essais in situ, à l’identification des modèles associés et à la construction des modèles macroscopiques d’endommagement.

Les paramètres mécaniques et associés à l’endommagement seront caractérisés à plusieurs échelles, par des approches combinant tomographie aux échelles de la microstructure et des pièces, des essais in situ, ainsi que des moyens d’essais classiques. Les différents paramètres à l’échelle de la microstructure (endommagement aux interfaces, endommagement lié à la structure lamellaire du matériau) seront déterminés par méthodes inverses combinant imagerie et simulation numérique.

Le matériau étudié est un matériau composite à matrice polymère PA12 et chargé de billes de verre, sous forme de poudres puis mis en forme par impression 3D par frittage laser par PRISMADD. Ce matériau a été choisi pour ses caractéristiques mécaniques importantes et sa légèreté. Ce projet permettra d’optimiser les paramètres du procédé d’impression 3D et les géométries des pièces vis-à-vis du critère de rupture macroscopique et de l’allègement des pièces.

Les tâches consisteront à :(a) développer un cadre de modélisation numérique pour simuler les réseaux de fissures 3D dans les matériaux fortement hétérogènes, à l'échelle de la microstructrure à partir d'images de microtomographies expérimentales des échantillons et à l'échelle des pièces fabriquées; (b) fabriquer des pièces composites par impression 3D SLS pour des paramètres procédés contrôlés; (c) caractériser les propriétés de résistance, et en particulier aux fissures de fatigue, de ces nouveaux matériaux, avec des méthodes de caractérisation expérimentales macroscopiques classiques mais également à l'échelle de la microstructure par des essais in situ combinés avec des techniques d'imageries expérimentales 2D et 3D; (d) proposer des modèles d'endommagement aux échelles micro et macro; (e) optimiser les paramètres du procédé et les géométries des pièces vis-à-vis de la résistance à la fatigue pour les pièces réalisées.