Composites auxétiques et en nid d'abeilles multifonctionnels constitués de préformes en fibre de carbone tissées en 3D

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22593 (2022) Citer cet article

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Les composites tissés tridimensionnels (3D) ont commencé à trouver des applications dans divers secteurs industriels, principalement dans l'aérospatiale et avec un potentiel dans l'automobile. Les tissus tissés en 3D peuvent être architecturés pour former des préformes complexes et de forme presque nette, prêtes pour la fabrication automatisée de composites. Le tissu en nid d'abeille tissé en 3D est conçu pour inclure des fonctionnalités supplémentaires dans les composites finis, telles que des coefficients de Poisson positifs et négatifs. Dans cette étude, des architectures complexes en nid d'abeille ont été créées à l'aide de diverses conceptions de tissage pour démontrer les effets des comportements auxétiques lors de la fabrication d'une structure composite. Un système de tissage 3D Staubli équipé de Jacquard UNIVAL 100 et d'un cantre de 3 072 câbles en fibre de carbone 6 carats ont été utilisés pour tisser l'architecture en nid d'abeille conçue. À l’aide d’inserts en mousse de polyester dure, les tissus tissés en 3D ont été convertis en préformes en nid d’abeille et auxétiques. Ces préformes ont été infusées à l’aide de résine époxy pour fabriquer un ensemble de structures composites en nid d’abeille et auxétiques. En comparaison avec la structure en nid d'abeilles de base, il est prouvé que les composites auxétiques développés présentaient un coefficient de Poisson négatif de − 2,86 et − 0,12 respectivement dans le cas des essais de traction et de compression.

Les composites tissés 3D multifonctionnels ont la capacité d’absorber l’énergie lors d’une rupture progressive, tout en maintenant une décroissance progressive du profil de charge au-delà du début de la rupture1,2. Par conséquent, ils sont d’un grand intérêt pour les situations où la capacité à résister à des charges de choc ou d’impact est une exigence de conception. Les composites tissés en 3D commencent à trouver des applications dans divers secteurs, notamment dans l’aérospatiale et l’automobile. Plusieurs équipementiers et fabricants de niveau 1 étudient activement ces structures. Dans l’aérospatiale, les structures tissées 3D sont déjà utilisées dans les pales et les boîtiers de ventilateurs. Le développement en est à ses débuts et il existe de nombreuses opportunités pour améliorer les performances d'impact et optimiser le poids de la structure. Il est important que les structures de collision utilisées dans les véhicules comme les voitures, les bus et les trains soient prévisibles avec précision et que la fabrication soit reproductible. Il existe également une opportunité d’utiliser le tissage 3D pour ajouter une fonctionnalité supplémentaire aux composites.

Le tissage 3D est une activité spécialisée et il existe très peu de centres capables de mener les recherches nécessaires. Les fabricants de textile tels que DORNIER et STAUBLI fabriquent des machines à tisser 3D, mais les tissus tissés 3D pour les applications composites en sont actuellement à leurs balbutiements. Au Royaume-Uni, des sociétés telles que Sigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons et Antich & Sons ont développé des capacités internes pour utiliser le tissage 3D, mais davantage de R&D sont nécessaires pour déployer cette technologie tout au long de la chaîne d'approvisionnement. Récemment, l'AMRC de l'Université de Sheffield a mis en place des capacités de tissage 3D qui seront utilisées pour combler le fossé et soutenir l'industrie.

Les préformes tissées en 3D ont la capacité de démontrer leur multifonctionnalité dans la fabrication de composites avancés. L'une des structures multifonctionnelles 3D est la fonctionnalité auxétique qui doit être étudiée et démontrée à l'industrie. Cela pourrait prendre la forme de structures extensibles de type nid d'abeille3, qui pourraient être tissées et testées pour montrer des capacités et des performances mécaniques potentiellement améliorées avec une tolérance élevée aux dommages tels que l'écrasement, la compression et l'impact. La figure 1 explique ce que la structure auxétique est comparée à la structure en nid d'abeille conventionnelle en termes de géométrie, c'est-à-dire qu'un matériau auxétique exposé à une tension augmenterait en dimensions dans la direction latérale à une force de traction appliquée. Une structure auxétique présente plusieurs avantages en cas de crash, par exemple une bonne absorption d'énergie, cependant, la fabrication reproductible d'une structure auxétique avec un comportement prévisible nécessite des travaux supplémentaires4.