2026/09/04
A physics based multi-scale framework for surface evolution in abrasive waterjet textured additively manufactured continuous carbon fiber thermoplastic composites
Chandra Shekar, A.; Zitoune, R.; Trarieux, B.; Hof, L.A. (2026). A physics based multi-scale framework for surface evolution in abrasive waterjet textured additively manufactured continuous carbon fiber thermoplastic composites. Procedia CIRP, vol. 141, 2026, 562-567.
Les composites thermoplastiques renforcés de fibres continues fabriqués par fabrication additive (FA) présentent un fort potentiel pour les applications de réparation de composites, notamment pour restaurer des géométries complexes tout en préservant la continuité entre la structure parente et le patch de réparation. Dans la réparation de composites, la performance du joint adhésif dépend de manière critique de l’intégrité de surface de la structure parente et du patch de réparation. Le texturage par jet d’eau abrasif (AWJ) constitue une méthode contrôlable et respectueuse de l’environnement pour la préparation de surface. Les études existantes, largement empiriques, mettent en relation des paramètres de procédé tels que la pression du jet d’eau et la vitesse de déplacement avec des indicateurs de surface, offrant une compréhension limitée des mécanismes régissant ce processus. Cette étude propose un cadre multi-échelle fondé sur la physique afin d’interpréter l’évolution de la surface lors de l’usinage par AWJ de composites fabriqués par FA. À l’échelle macroscopique, la pression du jet d’eau et la vitesse de déplacement gouvernent l’énergie d’impact de l’AWJ ainsi que le temps d’exposition, déterminant ainsi l’apport énergétique effectif à la surface. À l’échelle microscopique, la réponse à l’érosion est influencée par l’orientation des fibres, l’angle d’impact et la plasticité de la matrice, entraînant une combinaison de mécanismes d’enlèvement de matière fragiles et ductiles. L’interaction de ces mécanismes d’érosion locaux génère la topographie de surface à l’échelle mésoscopique, caractérisée par des paramètres tels que le volume des cratères (~0,6 à ~8 mm3/cm2) et la hauteur moyenne arithmétique (~15 à ~130 µm), révélant une relation non linéaire entre les paramètres d’entrée de l’AWJ et les indicateurs de surface obtenus. En reliant la physique du procédé, la réponse du matériau et les caractéristiques de surface, cette étude permet un contrôle prédictif de la qualité de surface sans nécessiter d’expérimentation extensive. Ce travail contribue au développement d’un cadre de fabrication orienté vers la réparation, visant à prolonger la durée de vie en service de structures composites thermoplastiques à haute valeur ajoutée, conformément aux pratiques de fabrication circulaire.