Les matériaux composites sont des matériaux composés de deux ou plusieurs composants différents qui, contrairement aux matériaux traditionnels, peuvent être conçus de manière synchrone dans leurs propriétés et leur structure. Les composites renforcés de fibres coupées courtes (SFRC) sont largement utilisés dans des domaines tels que l'automobile, la construction et l'aérospatiale, offrant les avantages d'un faible coût de fabrication, d'une résistance aux chocs élevée, d'un poids léger, d'une rigidité et d'une résistance élevées. Cependant, la prédiction de leurs propriétés mécaniques reste difficile en raison des influences complexes de l'orientation des fibres, des processus de fabrication et de la microstructure des matériaux.

Cette étude a été menée conjointement par thermo Fisher Scientific, synopsys, 3dmagination, waygate technologies et l’institut de génie des polymères de l’université des sciences appliquées du Nord - ouest de la Suisse. L'équipe de recherche a exploré le potentiel de polyamide 11 renforcé de fibres de carbone courtes recyclées (RCF - pa11) dans la fabrication durable en utilisant la tomographie par micro - ordinateur (microct) avec l'analyse d'images 3D, les tests mécaniques et la modélisation numérique pour la caractérisation systématique.

01. Préparation des échantillons

L'étude a utilisé des fibres de carbone T700 recyclées avec du polyamide biosourcé 11 (pa11) comme matériau de base, et le processus de préparation comprenait:

1. T700 décomposition de solvant de fibre de carbone (Solvolysis), ajustement de taille de fibre (resizing)

2. Mélange et mélange avec pa11 (15% en poids)

3. Extrusion filage et moulage d'impression 3D

Figure 1: schéma du processus de préparation des fibres de carbone recyclées

L'impression utilise la technologie Additive Fusion (AFT) de 9T Labs, qui combine l'impression continue en couches avec la fusion haute pression pour des structures denses et des composites haute performance. En contrôlant la température de la tête de pulvérisation, la vitesse d'extrusion et la hauteur de la couche, les fibres de carbone sont distribuées uniformément et ne sont pas endommagées.

Un traitement de fusion par chauffage et pression est ensuite appliqué dans un moule fermé, éliminant les pores intercalaires et améliorant la force de liaison à l'interface fibre - matrice.

Figure 4: courbe contrainte - déformation d'un composite renforcé de fibres courtes

02.Essais de performance mécanique

Des éprouvettes orientées 0° à 90° ont été préparées selon la Norme DIN 527 - 1 pour un essai de traction quasi statique à température ambiante.

Les résultats montrent:

• Échantillon directionnel 0°: Haute rigidité, rupture fragile, propriétés dominées principalement par les fibres;

• Échantillon directionnel à 90°: faible rigidité initiale, non linéarité importante, présentant des caractéristiques dominantes du polymère;

• Les différences entre les échantillons de même orientation sont minimes, ce qui indique une bonne répétabilité des résultats expérimentaux.

03.CT scan haute résolution

Deux tomodensitométries avec le système waygate technologies Phoenix V | tome | X m300:

• Balayage complet de l'échantillon: analyse de la distribution globale des fibres (7,3 µm³ voxels)

• Balayage local à haute résolution: Focus sur la zone centrale de l’échantillon (voxels de 2 µm³)

Figure 5: CT volumétrique reconstruit en 3D avec une vue en coupe partielle

Figure 6: résultats du rendu volumétrique d'un CT scan haute résolution

04. Segmentation de l'image et suivi des fibres

Avec thermo Scientific ™ Avizo ™ Module xfiber du logiciel 3D pro pour segmenter les données de reconstruction CT et tracer la ligne médiane de la fibre. L'algorithme extrait une seule fibre par correspondance de gabarit avec suivi de ligne, en calculant sa longueur, son orientation, sa courbure par rapport à sa courbure. On a finalement obtenu plus de 198 000 données sur les fibres et les résultats ont été exportés sous forme tenseur vers ANSYS pour la modélisation par éléments finis.

Figure 7: Division d'une seule fibre avec agrandissement partiel

Figure 8: carte de répartition de l'orientation des fibres dans la zone

Figure 9: exportation des données de tenseur d'orientation pour la simulation

Grâce à l'imagerie microscopique par tomodensitométrie et à des algorithmes de suivi précis, les chercheurs ont pu quantifier la distribution d'orientation et les caractéristiques interfaciales des fibres, jetant ainsi les bases d'une modélisation mécanique ultérieure et d'une analyse du comportement à la rupture.