Proposition de sujet de thèse « Stratégie de conception et d’optimisation de pièces thermoplastiques estampées », ONERA, Châtillon

Sujet :

Si les matériaux composites sont massivement utilisés dans le secteur aéronautique, ils peinent encore à intégrer d’autres secteurs industriels, notamment l’automobile, principalement pour des raisons de cadences faibles, d’automatisation difficile, et de coûts récurrents importants. C’est pourquoi les composites à matrice thermoplastiques, associés à des procédés haute cadence suscitent depuis quelques années un intérêt certain. Dans ce contexte, le CETIM développe le procédé QSP, une chaîne de fabrication de pièces composites basée sur la découpe de patchs pultrudés, superposés et assemblés par un automate afin d’obtenir une préforme qui est ensuite thermoestampée pour donner, en une seule opération la pièce finale. Un tel procédé est potentiellement intéressant pour l’industrie automobile, mais aussi pour les équipementiers aéronautiques, eux aussi confrontés à des problématiques de cadence de production et de coûts. Toutefois, avant de pouvoir diffuser largement ce procédé aux industriels, une stratégie de conception dédiée reste à développer.

Depuis plusieurs années, l’ONERA, et le CETIM collaborent pour mettre au point une stratégie de conception spécifique au procédé QSP, applicable à la plus grande diversité de problèmes mécaniques. Partant d’un design initial de la pièce (et donc d’une forme initiale pré-définie), cette stratégie consiste dans un premier temps à trouver les distributions optimales de l’épaisseur et des propriétés de rigidité homogénéisée du matériau. Dans une deuxième étape, sont recherchées les formes, les positions, et les orientation des patchs thermoplastiques qui réalisent au mieux ces distributions de propriétés optimales. Cette stratégie reste pour l’instant limitée par un certain nombre de verrous scientifiques et techniques que cette thèse cherchera à lever. Ainsi, la thèse s’articulera autour de deux axes qui correspondent à deux des principales limitations actuelles.

Le candidat mettra en place une procédure d’optimisation de la forme de la pièce visant à proposer, compte-tenu du cahier des charges de la pièce, un design initial pertinent. Cette procédure devra prendre en compte les spécificités du procédé d’estampage à chaud, et notamment la direction d’estampage/démoulage. De plus, on cherchera à tirer parti des possibilités offertes par le procédé, en particulier le surmoulage par injection de résine chargées pour la réalisation de nervures et/ou de renforts en zones de singularités géométriques.

En parallèle, un travail important sera fait pour élargir autant que possible le champ de validité de la stratégie de conception et d’optimisation. En effet, les travaux existants CETIM/ONERA se sont focalisés sur des modélisations élastiques linéaires, pour des critères de dimensionnement relativement simples (raideur globale, flambement). Or, pour les applications visées par le procédé, les cas de charge revêtent quasi-systématiquement un caractère fortement non-linéaire (grands déplacements en particulier) et la tenue de la pièce à la rupture est le critère de dimensionnement prépondérant. On cherchera donc à prendre en compte de manière aussi que possible fine la rupture des pièces produite en QSP, que ce soit via l’introduction de criètres de rupture avancés, dès la première étape de l’optimisation, à la gestion des arrêts et recouvrements des patches. Enfin, le candidat pourra être amené à faire évoluer la stratégie d’optimisation pour la rendre applicable à des

modélisations non linéaires.