Une nouvelle approche de conception pour la fabrication de fibres de carbone avec une orientation et une épaisseur optimisées permet de réduire le poids des plastiques renforcés de fibres – Science

Le carbone est vital pour l’existence de tous les organismes vivants, car il forme la base de toutes les molécules organiques qui, à leur tour, forment la base de tous les êtres vivants. Bien que cela seul soit assez impressionnant, il a récemment trouvé des applications étonnamment nouvelles dans des disciplines telles que l’aérospatiale et le génie civil avec le développement de fibres de carbone plus solides, plus rigides et plus légères que l’acier. Par conséquent, les fibres de carbone ont pris le dessus sur l’acier dans des produits de haute performance comme les avions, les voitures de course et les équipements sportifs.

Les fibres de carbone sont généralement combinées avec d’autres matériaux pour former un composite. Un tel matériau composite est le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP), qui est bien connu pour sa résistance à la traction, sa rigidité et son rapport résistance / poids élevé. En raison de sa forte demande, les chercheurs ont mené plusieurs études pour améliorer la résistance des CFRP, et la plupart d’entre elles se sont concentrées sur une technique particulière appelée «conception guidée par fibre», qui optimise l’orientation des fibres pour améliorer la résistance.

Cependant, l’approche de conception à fibre optique n’est pas sans inconvénients. «La conception à fibre optique n’optimise que l’orientation et maintient l’épaisseur des fibres fixe, empêchant l’utilisation complète des propriétés mécaniques du CFRP. Une approche de réduction de poids, qui permet également d’optimiser l’épaisseur de fibre, a rarement été envisagée», explique le Dr. Ryosuke Matsuzaki de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), Japon, dont la recherche est axée sur les matériaux composites.

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Dans ce contexte, le Dr Matsuzaki – avec ses collègues de TUS, Yuto Mori et Naoya Kumekawa – a proposé une nouvelle méthode de conception pour optimiser simultanément l’orientation et l’épaisseur des fibres en fonction de l’emplacement dans la structure composite, ce qui leur a permis de réduire le poids du CFRP par rapport à celui d’un modèle de stratification linéaire d’épaisseur constante sans compromettre sa résistance. Leurs résultats peuvent être lus dans une nouvelle étude publiée dans Structures composites.

Leur méthode comportait trois étapes: les processus préparatoire, itératif et de modification. Dans le processus préparatoire, une analyse initiale a été réalisée à l’aide de la méthode des éléments finis (FEM) pour déterminer le nombre de couches, permettant une évaluation qualitative du poids par un modèle de stratification linéaire et une conception à fibre orientée avec un modèle de variation d’épaisseur. Le processus itératif a été utilisé pour déterminer l’orientation des fibres par la direction de contrainte principale et calculer de manière itérative l’épaisseur en utilisant la «théorie des contraintes maximales». Enfin, le processus de modification a été utilisé pour apporter des modifications tenant compte de la fabricabilité en créant d’abord un «faisceau de fibres de base» de référence dans une région nécessitant une amélioration de la résistance, puis en déterminant l’orientation et l’épaisseur finales en agençant les faisceaux de fibres de sorte qu’ils s’étalent des deux côtés de le bundle de référence.

La méthode d’optimisation simultanée a conduit à une réduction de poids supérieure à 5% tout en permettant une efficacité de transfert de charge plus élevée que celle obtenue avec l’orientation des fibres seule.

Les chercheurs sont enthousiasmés par ces résultats et attendent avec impatience la mise en œuvre future de leur méthode pour réduire encore le poids des pièces en PRFC conventionnelles. «Notre méthode de conception va au-delà de la sagesse conventionnelle de la conception composite, en faisant des avions et des automobiles plus légers, qui peuvent contribuer à la conservation de l’énergie et à la réduction des émissions de CO2», observe le Dr Matsuzaki.

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Source de l’histoire:

Matériel fourni par Université des sciences de Tokyo. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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