Predicion of Elastic Properties of Carbon Plastics Obtained by Vacuum Bag Resin Infusion and Direct Prepreg Pressing Technologies

Résumé technique : Prédiction des propriétés élastiques de plastiques de carbone obtenus par les technologies d'infusion de résine sous sac à vide et de pressage direct de préimprégnés

Énoncé du problème
Le développement de structures biomédicales avancées, particulièrement les prothèses de pied de type stockage et restitution d'énergie (ESR), nécessite des matériaux composites à fibres de carbone (CFCM) dotés de caractéristiques de rigidité et de résistance précises. Ces composants doivent supporter des charges importantes (jusqu'à quatre fois le poids du patient) tout en maintenant un poids minimal et une déformation prévisible (déflexion de 5 à 20 mm). Un défi critique réside dans la sélection de la technologie de fabrication appropriée et de l'arrangement spatial des composants pour atteindre ces propriétés élastiques spécifiques. Bien que l'infusion de résine sous sac à vide (VBRI) et le pressage direct de préimprégnés (DPP) soient largement utilisés, il est nécessaire de comparer leurs propriétés mécaniques résultantes et de valider les modèles d'homogénéisation pour prédire les modules d'élasticité effectifs des matériaux orthotropes qui en résultent.

Méthodologie
L'étude a employé une approche comparative impliquant à la fois des tests expérimentaux et une prédiction analytique :

• Préparation des échantillons : Cinq séries de spécimens de CFCM ont été fabriquées en utilisant deux technologies distinctes :

  • VBRI : Utilisation de tissus de carbone (sergé T300, unidirectionnel T700) et d'un système de résine époxy (EPR320 + EPH550).
  • DPP : Utilisation de tissus de carbone préimprégnés (sergé YZ-05 T700 et unidirectionnel) pressés dans une presse hydraulique.
  • Les spécimens présentaient des schémas de drapage variés (mélanges de tissus unidirectionnels et de sergé) pour atteindre une épaisseur cible d'environ 4 mm. Les fractions volumiques de fibres ont été calculées sur la base de mesures de densité, révélant des taux de renforcement plus élevés dans les spécimens DPP (jusqu'à 69 %) par rapport aux spécimens VBRI (environ 50–52 %).

• Essais expérimentaux :

  • Compression uniaxiale : Réalisée sur une machine Instron 8801 (ASTM D3410) pour déterminer les modules d'élasticité en compression.
  • Flexion trois points : Réalisée sur une machine TestSystems UTS-111.2-10-12 (ASTM D790) pour déterminer les modules d'élasticité en flexion.
  • Les tests ont été effectués sur les séries N1, N3, N5, N7 et N19, les modules d'élasticité étant calculés à partir de la région élastique linéaire des diagrammes contrainte-déformation.

• Prédiction analytique :

  • Une approche de moyennage en deux étapes basée sur la théorie classique des stratifiés a été appliquée.
  • Niveau micromécanique : Les modules d'élasticité des couches individuelles ont été calculés en moyennant les propriétés des fibres et de la matrice à l'aide des modèles de Voigt (règle des mélanges) et de Halpin-Tsai.
  • Niveau macromécanique : Les propriétés de la structure stratifiée ont été moyennées à l'aide des coefficients de la loi de Hooke généralisée, en tenant compte des angles d'orientation des fibres et de l'épaisseur des couches.

Résultats clés

• Influence de la fabrication : Les spécimens produits via le pressage direct de préimprégnés (DPP) ont systématiquement présenté des modules d'élasticité et une résistance à la traction plus élevés que ceux produits via l'infusion de résine sous sac à vide (VBRI). Cela est attribué à la fraction volumique de fibres de carbone plus élevée obtenue en DPP (environ 63–69 %) par rapport au VBRI (environ 50–52 %).
• Flexion vs Compression : Une divergence significative a été observée entre les modes de chargement. Les modules d'élasticité en compression étaient environ la moitié des valeurs des modules de flexion pour une même série, et les déformations à la rupture étaient 1,5 à 2,5 fois plus élevées en compression.
• Précision du modèle :
  • Flexion : Le modèle analytique a montré une corrélation raisonnable avec les données de flexion expérimentales pour les séries N1, N3, N5 et N7, bien qu'il ait eu tendance à surestimer les valeurs (différences allant de 5 % à 32 %). La correction de Halpin-Tsai n'a pas modifié de manière significative les prédictions pour les couches unidirectionnelles à haut volume orientées selon l'axe de chargement.
  • Compression : Le modèle a démontré des limites importantes dans la prédiction du comportement en compression. Les écarts entre les modules de compression calculés et expérimentaux étaient substantiels (1,5 à 2,3 fois plus élevés dans les calculs).
  • Exception (Série N19) : La série N19, caractérisée par une proportion élevée de tissu sergé et des orientations de fibres à 45°, a montré un résultat unique où les modules de compression calculés et expérimentaux coïncidaient presque (4 % de différence), bien que la prédiction de flexion soit restée inexacte (80 % de différence).

Signification et conclusions
L'étude conclut que, bien que les modèles de moyennage séquentiel (Voigt et Halpin-Tsai combinés à la théorie classique des stratifiés) puissent prédire les modules d'élasticité en flexion des CFCM orthotropes avec une précision d'au moins 35 % pour des drapages spécifiques, ils ont une applicabilité limitée pour la prédiction des propriétés de compression. La divergence significative des résultats de compression suggère que les modèles d'homogénéisation actuels ne parviennent pas à rendre compte de l'hétéromodalité (modules différents en traction vs compression) et des hétérogénéités microstructurales spécifiques.

Les auteurs affirment que les technologies VBRI et DPP sont toutes deux viables pour produire des éléments structurels pour les prothèses de pied, à condition que la teneur en fibres de carbone soit suffisante. Cependant, pour la conception précise de composants biomédicaux, le recours exclusif aux modèles d'homogénéisation standards pour la rigidité en compression est insuffisant. Les améliorations futures de la précision de la prédiction nécessiteront des modèles intégrant les séquences d'empilement, les types de tissage et les comportements distincts traction-compression, parallèlement à une caractérisation expérimentale supplémentaire sous traction uniaxiale et torsion.