Effet des paramètres du processus de forage sur la résistance portante des composites époxy renforcés de fibres de verre et de treillis d'aluminium

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12143 (2023) Citer cet article

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La présente étude a tenté d'évaluer l'impact des paramètres de forage et du délaminage sur la résistance portante du treillis métallique GFRP pur (NG) et hybride GFRP/aluminium (Al) avec deux configurations différentes, d'abord avec un treillis Al dans la surface extérieure de spécimen (AG) et l’autre avec Al-mesh au cœur du spécimen (GA). La procédure de perçage est effectuée à l'aide d'un foret hélicoïdal en carbure de 6 mm \(\varnothing\) avec trois angles de pointe différents (90°, 120° et 135°), ainsi que trois vitesses et avances différentes (1 000, 2 000 et 3 000 tr/min). et (20, 40 et 60 mm/min), respectivement. Les analyses Taguchi et ANOVA sont utilisées pour analyser l'influence des paramètres de traitement. Les résultats ont montré que le spécimen AG a subi le moins de dommages par délaminage. La résistance portante maximale se réfère au spécimen NG, qui est respectivement 9,6 % et 8,7 % de plus que les spécimens AG et GA. L'angle de la pointe du foret a un effet majeur sur la résistance portante pour les éprouvettes AG et GA, tandis que pour les éprouvettes NG, la vitesse d'alimentation a un effet majeur. Le modèle de régression développé a montré un niveau élevé de fitness avec une erreur de prédiction moyenne inférieure à 3 %.

Ces dernières années ont été marquées par une forte croissance de l’utilisation des matériaux composites, notamment dans les secteurs de l’aérospatiale et de l’aviation. Cette application s'est concentrée sur la nécessité de matériaux de substitution à l'acier et aux alliages d'aluminium permettant d'alléger le poids de la structure1. De cette manière, un composite hybride a été produit, combinant les avantages des composites renforcés de métal et de fibres pour créer un composite hybride supérieur connu sous le nom de stratifiés de fibres métalliques (FML). Le métal le plus fréquemment utilisé dans ce type de composites est l’aluminium2. Les familles FML peuvent être divisées en de nombreux groupes en fonction des fibres de renforcement utilisées, telles que ARALL, CARALL et GLARE sont des abréviations pour aramide, fibre de carbone et fibre de verre, respectivement3. Le principal avantage des FML par rapport aux alliages métalliques est une meilleure résistance à la croissance des fissures pendant fatigue, car les fibres et les polymères autour du stratifié métallique fonctionnent comme un mécanisme de compression qui empêche l'apparition de fissures dans le métal4. Les fonctionnalités supplémentaires incluent la capacité de fabriquer des formes complexes en utilisant divers processus de production de composites, une réduction possible du poids et des économies sur les coûts de maintenance grâce à la forte résistance à la corrosion des composites FML5,6. Lorsque des treillis métalliques sont utilisés à la place d'une feuille, il devient possible de construire des structures plus complexes en utilisant les mêmes procédés de fabrication que pour les composites renforcés de fibres. La capacité du treillis métallique à fléchir plastiquement peut être souhaitable en cas d'impact car il peut retarder l'initiation de la fracture et agir comme un absorbeur d'énergie supplémentaire7, tout en améliorant la liaison et en limitant les inconvénients du décollement car il améliore l'interaction interfaciale entre la résine et treillis métallique qui rend plus difficile la destruction de la liaison entre les couches composites8. L'ajout de treillis métallique en aluminium augmente les taux d'allongement en traction et en flexion jusqu'à 54 % et 117 %, respectivement, et améliore l'absorption d'énergie9. Ces composites hybrides combinent les meilleures qualités du métal et des FRP, offrant des performances mécaniques supérieures aux stratifiés traditionnels. Ainsi, ils peuvent être utilisés dans une variété d’applications pratiques et cruciales, notamment dans les domaines militaire, des transports, de l’aérospatiale, des pièces de sous-marins et d’autres applications de barrières9,10. Ces structures sont reliées entre elles à l'aide de connexions mécaniques telles que des rivets ou des boulons ainsi que d'autres méthodes. Pour assembler les structures, ces joints nécessitaient de réaliser des trous. La qualité du trou, la tolérance géométrique et l'épaisseur du matériau ont un impact significatif sur la résistance du joint. Cependant, le facteur le plus important est le processus de création du trou ou la qualité du trou, qui entraîne des contraintes résiduelles importantes autour de la limite du trou et réduit la résistance structurelle. De plus, la mauvaise qualité des trous représente 60 % des pièces refusées lors de la fabrication11. Le perçage du composite FML est une opération difficile car le foret pénètre dans des structures non uniformes contenant des fibres dures et abrasives ainsi que la matrice sensible à la chaleur, ce qui rend le processus de perçage extrêmement problématique. Par ailleurs, les dépenses de forage sont élevées en raison du réaffûtage fréquent du trépan dû à une érosion importante12. Bien que de nombreuses études aient été réalisées sur le perçage de matériaux composites avec diverses méthodes, notamment des trous moulés et poinçonnés et des techniques innovantes non traditionnelles, notamment le laser et le jet d'eau abrasif, le perçage reste la méthode la plus courante et la plus simple pour produire des trous dans les composites stratifiés13. Le perçage conventionnel entraîne divers problèmes, notamment des fissures internes et un délaminage entre les stratifiés, ainsi que des dommages causés par la chaleur, l'usure des outils et des erreurs de dimensions des trous. Ces défauts compromettent la qualité du trou percé, ce qui réduit la capacité de l'assemblage boulonné à supporter des charges. Diverses recherches ont été menées pour examiner comment les fixations mécaniques affectent la résistance portante des composites stratifiés. L’initiation de rupture qui se produit fréquemment dans les joints structurels en raison des contraintes résiduelles, de la fatigue et de la dégradation des fibres provoquées par les opérations de forage sert d’inspiration à ces études14. Le délaminage, qui est défini comme la dissociation des couches de stratifié qui se produit lorsque la force agissant entre les stratifiés est supérieure à la résistance interlaminaire du matériau, provoque une rupture entre les couches, est généralement considéré comme le principal dommage causé au perçage composite15. Le délaminage est intrinsèque aux pièces d'assemblage ou aux assemblages boulonnés car il réduit la résistance du matériau à résister à des charges excessives16. Le délaminage par pelage et par poussée, qui sont des délaminages induits par le forage, sont tous deux présentés à l'entrée et à la sortie des trous17. Selon Khashaba et al.18, le délaminage par poussée est plus grave que le délaminage par pelage. Le contrôle de certains aspects importants, tels que le matériau et la géométrie de l'outil de forage, la vitesse de coupe, l'avance et les mécanismes de sauvegarde, est la clé pour minimiser le délaminage lors du perçage de stratifiés composites. Ces paramètres ont un impact sur la qualité du trou foré et sur le processus de forage. Selon les recherches de19, le délaminage est directement lié au débit d'alimentation. Les résultats démontrés par Sakthivel et al.20 indiquent que le taux d'alimentation est la variable la plus importante dans le perçage des composites polymères à mailles d'acier inoxydable renforcés de fibres de verre. Ces résultats concordent avec les recherches de Jenarthanan et al.21. Les vitesses de broche faibles entraînent moins de dommages, mais l'utilisation d'une vitesse élevée avec une faible avance peut atténuer le délaminage22. L'impact du choix de la géométrie de l'outil et des conditions de fonctionnement sur les dommages induits par le forage a été prouvé par l'auteur. Il indique qu'un angle de pointe plus petit23 et une vitesse d'avance plus faible étaient associés à des trous présentant moins de délaminage, d'après ses recherches. Là où 24,25 clarifie, avec un angle de pointe plus petit, la force de poussée est réduite, ce qui explique les dommages moindres. Le foret en carbure est considéré comme la meilleure alternative pour percer les composites que le foret HSS car il crée moins de délaminage et d'usure26. Un mauvais perçage entraîne une réduction de la résistance portante, et vice versa. Selon19, la vitesse d'avance a un impact majeur sur le roulement, car une faible vitesse d'avance et une vitesse élevée améliorent la résistance du roulement. Différents types de modes de rupture sont générés par les joints fixés mécaniquement, notamment la tension nette, le cisaillement, le clivage et l'appui27. Ces mécanismes de rupture sont assez complexes et sont influencés par plusieurs facteurs, notamment la dimension de la rondelle et la force de serrage latérale. La méthode statistique Taguchi est bien adaptée aux problèmes d’optimisation technique qui nécessitent de mesurer des caractéristiques de qualité de réponse qui s’écartent des normes établies à l’aide du rapport S/B28,29.