Etude des phenomenes d'echanges thermiques dans le procede de moulage par transfert de resine (RTM)

Abstract

This work deals with the heat transfer aspect during the filling stage of the resin transfer molding (RTM) process when heated molds are used. This process is more and more popular in the automotive industry and in recreative transportation industries owing to its potential for overcoming the manufacturing difficulties involved in the processing of fibre reinforced plastics for medium to high volume production needs. The process can be described as a closed mold operation whereby a dry fibre preform is placed inside the mold and impregnated with a liquid, thermosetting resin. The resin is then cured and the mold opened to remove the component. Heated molds have proven to be effective in lowering the overall cycle time of the process by reducing the resin viscosity during the filling stage, allowing a faster impregnation of the fibre preform, and by reducing the cure time of the process due to higher resin temperature after mold fill.

A great deal of effort is currently devoted to the numerical modelling of such process which depends mainly on the physical and geometrical parameters involved during the flow of resin through the preform. The introduction of heat transfer phenomena in numerical models for RTM necessitates the use of an appropriate energy equation and of realistic boundary conditions. The present work deals mainly with experimental evaluation of heat transfer during the filling phase and, to a given extent, during the cure phase of the process. The results allow a critical evaluation of assumptions made in the governing equations and the corresponding boundary conditions used in the models for RTM.

Chapter 1 is a review of works made in the literature on the heat transfer aspect of liquid composites molding processes and on convection heat transfer for fluids flowing through porous media over a heated flat plate or between parallel plates. Chapter 2 deals mainly with in plane temperature variations during the impregnation phase of a flat aluminum mold. It is shown that about 70% of the resin temperature increase is obtained within a flow path length of 12.5 cm from the gate. Chapters 3 and 4 deal with through-thickness temperature measurements inside the mold cavity during the filling and curing phases and the influences of mold geometry and mold material on the temperature variations are investigated. Finally, chapter 5 is devoted to the evaluation of heat transfer models, as discussed in chapter 1, with a particular attention given to the possibility to use them as boundary conditions in the numerical models for RTM. By combining some of these models, a new model is developed for the RTM process where the influence of fibre content and mold temperature are taken into account.

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Ce travail traite de l'aspect transfert de chaleur lors de l'étape de remplissage du procédé de moulage par transfert de résine (RTM) lorsque des moules chauffés sont utilisés. Ce procédé est de plus en plus populaire dans l'industrie automobile et dans les industries du transport récréatif en raison de son potentiel pour surmonter les difficultés de fabrication liées au traitement des plastiques renforcés de fibres pour les besoins de production de volume moyen à élevé. Le processus peut être décrit comme une opération en moule fermé dans laquelle une préforme de fibres sèches est placée à l'intérieur du moule et imprégnée d'une résine thermodurcissable liquide. La résine est ensuite durcie et le moule ouvert pour retirer le composant. Les moules chauffés se sont avérés efficaces pour réduire le temps de cycle global du processus en réduisant la viscosité de la résine pendant l'étape de remplissage, permettant une imprégnation plus rapide de la préforme fibreuse et en réduisant le temps de durcissement du processus en raison de la température plus élevée de la résine après remplissage du moule.

De nombreux efforts sont actuellement consacrés à la modélisation numérique d'un tel procédé qui dépend principalement des paramètres physiques et géométriques mis en jeu lors de l'écoulement de la résine à travers la préforme. L'introduction des phénomènes de transfert de chaleur dans les modèles numériques pour RTM nécessite l'utilisation d'une équation d'énergie appropriée et de conditions aux limites réalistes. Le présent travail porte principalement sur l'évaluation expérimentale du transfert de chaleur pendant la phase de remplissage et, dans une certaine mesure, pendant la phase de durcissement du procédé. Les résultats permettent une évaluation critique des hypothèses faites dans les équations gouvernantes et les conditions aux limites correspondantes utilisées dans les modèles pour RTM.

Le chapitre 1 est une revue des travaux réalisés dans la littérature sur l'aspect transfert de chaleur des procédés de moulage de composites liquides et sur le transfert de chaleur par convection pour les fluides s'écoulant à travers des milieux poreux sur une plaque plane chauffée ou entre des plaques parallèles. Le chapitre 2 traite principalement des variations de température dans le plan lors de la phase d'imprégnation d'un moule plat en aluminium. Il est démontré qu'environ 70 % de l'augmentation de la température de la résine est obtenue dans une longueur de trajet d'écoulement de 12,5 cm à partir de la grille. Les chapitres 3 et 4 traitent des mesures de température à travers l'épaisseur à l'intérieur de la cavité du moule pendant les phases de remplissage et de durcissement et les influences de la géométrie du moule et du matériau du moule sur les variations de température sont étudiées. Enfin, le chapitre 5 est consacré à l'évaluation des modèles de transfert de chaleur, comme discuté au chapitre 1, avec une attention particulière accordée à la possibilité de les utiliser comme conditions aux limites dans les modèles numériques pour RTM. En combinant certains de ces modèles, un nouveau modèle est développé pour le procédé RTM où l'influence de la teneur en fibres et de la température du moule est prise en compte.