Travail de Bachelor Patch de réparation matière composite - HEIG-VD

 
Travail de Bachelor Patch de réparation matière composite - HEIG-VD
Département TIN
 Filière Systèmes industriels
 Orientation Conception

 Travail de Bachelor

 Patch de réparation matière composite
 Non confidentiel

Étudiant : Rui Oliveira Moreira
Travail proposé par : Olivier Bicart-See
 SBB CFF FFS
 Quai des Ateliers 1
 1400 Yverdon-les-Bains
Enseignant responsable : Joël Cugnoni
Année académique : 2020-2021

 Yverdon-les-Bains, le 21 avril 2021
Travail de Bachelor Patch de réparation matière composite - HEIG-VD
Patch de réparation matière composite

 Département TIN
 Filière Systèmes industriels
 Orientation Conception
 Étudiant Rui Oliveira Moreira
 Enseignant responsable Joël Cugnoni

 Travail de Bachelor 2020-2021
 Patch de réparation matière composite

SBB CFF FFS

Résumé publiable
Ce projet consiste à développer un patch de réparation pour des composants en matière composite.
Des délais de réparation assez courts imposent une certaine discipline lors de la réparation et application du patch.
Ce travail est une demande particulière de l’entreprise SBB CFF FFS, qui souhaite disposer d’une méthode de
réparation rapide de composants en fibre de verre pour stabiliser temporairement des dommages en attente d’une
réparation en atelier.
L’objectif de ce travail est : La démarche adoptée dans ce travail est essentiellement pratique, avec beaucoup
d’essais, mais se base sur une partie théorique qui aide à dimensionner le patch. Ce sont des essais de traction qui
simulent une bonne partie des efforts subis par les composants en composite dans les trains.
Plusieurs fournisseurs sont présélectionnés et testés afin d’avoir une large gamme de produits à comparer dont le
but étant d’assurer une solution viable.
Après avoir étudié les différentes possibilités, un fournisseur de résine époxyde (classique) et un fournisseur de
résine polyester UV se sont démarqués. L’un par sa robustesse (époxyde) et l’autre par sa rapidité de polymérisation
(UV).
Ce qui ressort de ce travail est que dans le marché actuel il existe des produits, parfois axés sur d’autres domaines,
pouvant répondre à ce qui est demandé. Le travail répond donc aux besoins fixés et propose des solutions.

 Étudiant : Date et lieu : Signature :
 Oliveira Moreira Rui …………………………………… ……………………………………
 Enseignant responsable : Date et lieu : Signature :
 Cugnoni Joël …………………………………… ……………………………………
 Nom de l’entreprise/institution : Date et lieu : Signature :
 Bicart-See Olivier …………………………………… ……………………………………

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Patch de réparation matière composite

 Préambule
Ce travail de Bachelor (ci-après TB) est réalisé en fin de cursus d’études, en vue de l’obtention du titre de Bachelor
of Science HES-SO en Ingénierie de Conception.
En tant que travail académique, son contenu, sans préjuger de sa valeur, n'engage ni la responsabilité de l'auteur,
ni celles du jury du travail de Bachelor et de l'Ecole.
Toute utilisation, même partielle, de ce TB doit être faite dans le respect du droit d’auteur.

 HEIG-VD
 Le Chef du Département

Yverdon-les-Bains, le 21 avril 2021

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Patch de réparation matière composite

 Authentification

Le soussigné, Rui Oliveira Moreira, atteste par la présente avoir réalisé seul ce travail et n’avoir utilisé aucune autre
source que celles expressément mentionnées.

Yverdon-les-Bains, le 21 avril 2021

 Rui Oliveira Moreira

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 Table des matières

1 Entreprise Partenaire ............................................................................................................................................6
2 Introduction ..........................................................................................................................................................6
 2.1 Problématique/Besoin ..................................................................................................................................6
3 Cahier des charges ................................................................................................................................................7
 3.1 Dommages ....................................................................................................................................................7
 3.1.1 Dommage de type A .............................................................................................................................8
4 Théorie ..................................................................................................................................................................9
 4.1 Fibres ............................................................................................................................................................9
 4.1.1 Fibre de verre........................................................................................................................................9
 4.2 État de l’art .................................................................................................................................................11
 4.2.1 Matrice organique thermodurcissable ...............................................................................................12
 4.3 Calculs Théoriques ......................................................................................................................................13
5 Matériaux et méthode ........................................................................................................................................14
 5.1 Démarche ...................................................................................................................................................14
 5.1.1 Outils utilisés.......................................................................................................................................14
 5.1.2 Technique ...........................................................................................................................................15
 5.2 Caractérisation du matériau de base .........................................................................................................16
 5.3 Dimensionnement de la conception du patch de réparation ....................................................................17
 5.4 Renforts ......................................................................................................................................................18
 5.5 Présélection des résines .............................................................................................................................19
 5.6 Prégel utilisé pour remplir les fissures .......................................................................................................20
 5.7 Résines sélectionnées .................................................................................................................................21
 5.7.1 Walter Mäder .....................................................................................................................................21
 5.7.2 Suter Kunststoffe (SwissComposite) ...................................................................................................22
 5.7.3 EasyComposite....................................................................................................................................23
 5.7.4 WestSystem ........................................................................................................................................24
 5.7.5 Solarez ................................................................................................................................................25
 5.7.6 Kwasny ................................................................................................................................................27
 5.8 Résumé des résines présélectionnées ........................................................................................................28
 5.8.1 Conseils pour l’utilisation des résines.................................................................................................28
 5.9 Méthodes de réparation.............................................................................................................................29
 5.9.1 Description de la méthode .................................................................................................................30
 5.9.2 Temps de gel des résines ....................................................................................................................32

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 5.9.3 Fabrication des éprouvettes de référence avec produits utilisés aux CFF .........................................33
6 Résultats .............................................................................................................................................................34
 6.1 Paramètres .................................................................................................................................................34
 6.1.1 Résultat de la polymérisation des résines en pot ...............................................................................34
 6.2 Caractérisation du matériau de base .........................................................................................................34
 6.2.1 Résultat des éprouvettes issues de la toiture ....................................................................................34
 6.2.2 Résultat des éprouvettes avec résine Walter Mäder .........................................................................36
 6.2.3 Résultats des calculs ...........................................................................................................................38
 6.3 Réparations sur éprouvettes Walter Mäder (tissu) ....................................................................................38
 6.4 Réparations sur éprouvettes toiture ..........................................................................................................39
 6.5 Éprouvettes « neuves » ..............................................................................................................................40
 6.6 Pourcentage volumique de fibres par étape de fabrication.......................................................................41
 6.7 Autre méthode - pourcentage volumique de fibres par étape de fabrication ...........................................42
7 Analyse ................................................................................................................................................................43
 7.1 Caractérisation du matériau de base .........................................................................................................43
 7.1.1 Résultats en traction ...........................................................................................................................43
 7.2 Comparaison éprouvettes « neuves » ........................................................................................................44
 7.3 Comparaison réparations vs matériau de base ..........................................................................................45
 7.4 Choix intermédiaires...................................................................................................................................45
 7.5 Comparaison 2èmes réparations et matériau de base ..............................................................................46
 7.6 Comparaison globale ..................................................................................................................................47
8 Conclusion...........................................................................................................................................................48
9 Planning ..............................................................................................................................................................50
10 Table des Illustrations .........................................................................................................................................51
 10.1 Liste des tableaux .......................................................................................................................................51
 10.2 Liste des figures ..........................................................................................................................................51
11 Bibliographie .......................................................................................................................................................53
 11.1 Littérature ...................................................................................................................................................53
 11.2 Liens utiles ..................................................................................................................................................53
12 Annexe ................................................................................................................................................................55

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1 Entreprise Partenaire
Ce travail a été développé pour, et en collaboration avec, la division Voyageurs de l’entreprise des Chemins de fer
fédéraux, CFF.
Les CFF, créés en 1902, sont la référence en
Suisse en ce qui concerne le transport de
personnes et marchandises par les voies
ferrées dans le pays. L’État fédéral détient
la totalité du capital de la société.
Étant la principale entreprise ferroviaire en
Suisse et comptant plus de 33'000
collaborateurs, l’entreprise aspire à
l’innovation et à réaliser la mobilité de
 Figure 1 - logo SBB CFF FFS26
demain.
Vincent Ducrot est le CEO actuel, entré au poste en avril 2020.
Selon Vincent Ducrot, actuellement, les CFF ne disposent pas d’assez de trains de réserves et les investissements
ne sont pas assez grands dans l’entretien de la flotte pour s’attendre à plus.
Outre le manque d’investissement, il existe aussi un point qui peut toujours être revu à la hausse, la qualité. Ce
point permet la réalisation de ce projet, qui vise à réparer temporairement un défaut pour permettre aux révisions,
et réparations, planifiées d’avoir le temps suffisant à la réalisation d’un travail de qualité.

2 Introduction
2.1 Problématique/Besoin
Certains accidents causent des dommages qui « handicapent » les véhicules, ils
sont inutilisables jusqu’à ce que les composants soient réparés.
Un patch applicable en un délais assez court permettrait aux composants d’être
temporairement réparés, et ainsi, aux véhicules de continuer de tourner en
attendant « sagement » leur révision respective dans les ateliers prévus à cet
effet.

 Figure 2 - Dommage sur composant en composite
 MPRFV - BBA 20195617 (Fichier interne SBB-CFF-
 FFS)

Figure 3 - Dommage sur composant en composite MPRFV - BBA 20195617 (Fichier interne SBB-CFF-FFS)

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3 Cahier des charges
 • Réparation temporaire de dégâts (principalement de type A) présents sur composants en matière
 composite
 • Restaure l’intégrité structurelle afin d’éviter la détérioration du composite
 • Tenue du patch pour une exposition minimum équivalente à 6 mois et idéalement 12 mois
 • Définir une préparation de surface assurant l’adhésion
 • Résistance du patch seul supérieur ou égal au composite de base
 • Mise en œuvre par personnel certifié pour collage normé DIN 6701 (NTH)
 • Applicable dans un centre d’entretien
 • Applicable en une durée maximale de 4h (immobilisation du train)
 • Véhicule exploitable au maximum 24h après la réparation effectuée
 • Permet l’application de peinture avant début d’exploitation (aspect esthétique)

3.1 Dommages
Les dommages sont classés selon un catalogue des défauts défini par l’entreprise (CFF).
La désignation et classification des dommages est interne à l’entreprise. Seule la faisabilité concerne le patch et
peut être sujet à des modifications.
Tableau 1 - Types de dommages selon SBB-CFF

 Designation – type de dommage Classification Faisabilité Eviter
 dommage dommages
 suppl
 Fissures ou microfissures du gelcoat A Faisable ok 1
 Dommage ou fissure de la peau extérieure A Faisable Ok 1
 Dommage de la peau jusqu’à la mousse B Difficile 3
 Délaminage de la peau extérieure B Difficile 3
 Perforation de la peau et de la mousse C Très difficile Ok
 Dommage structurel – Structure instable (Cabine) D Difficile ok 3
 Assainissement de la cabine E Très difficile Ok 9
 Partie de fibre manquante (jupes) F Très difficile 9
 Dommage dans une zone critique (trou de fixation G Très difficile 9
 jupes)
 Perforation de la fibre (impacts traversants) H Très difficile 9
 Infiltrations d’eau (mousse imbibée) I Difficile 3

Selon le cahier des charges, le patch doit réparer temporairement les dommages de type A.
Les détails des réparations (Chap. 2.1) se trouvent dans le fichier de type BBA correspondant au numéro 20195617
– Réparation composants en composite MPRFV. (Fichier interne SBB-CFF)

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3.1.1 Dommage de type A
Procédure de réparation des dommages de type A.
Ce type de dommage concerne les fissures et microfissures du gelcoat ainsi que des fissures sur la peau extérieure.
 1. Fraiser ou meuler la fissure en profondeur afin de la
 supprimer complétement.
 2. Retirer/souffler la poussière
 3. Dégraisser4
 4. Injecter la colle6 sur la saignée
 5. Laisser bien déborder la colle6 afin de former un bourrelet sur
 la zone à réparer. Cela évite ainsi le retrait de la colle6 lors du
 séchage et la formation de cratères.
 6. Placer un scotch orange par-dessus la colle6 afin d’éviter le Figure 4 - Photo fissure SBB-CFF
 fluage (pour les surfaces inclinées)
 7. Laisser sécher au moins 8 heures à température ambiante. Le temps de polymérisation complet de la
 colle6 pour une adhérence optimale est de 48/72 h
Retirer le scotch orange et poncer le surplus de colle6 afin d’obtenir une surface plane

3.1.1.1 Observation
Le fait de se focaliser sur la réparation de type A, n’empêche pas un certain degré d’efficacité du patch à « freiner »
ou à réparer temporairement d’autres types de dommages apparaissant, ou se propageant, sur les pièces en
composite fibre.

 Figure 5 - Différents types de dommages rencontrés sur pièces composites [Torres, 1986] 1

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4 Théorie
4.1 Fibres
Les composites gagnent peu à peu du terrain sur les matériaux métalliques mais le marché des matériaux
composites tels que la fibre de verre reste encore faible face aux métaux.
Néanmoins, les composites (base et haute performance) restent l’avenir et seront probablement une très bonne
alternative aux matériaux métalliques dont les sources premières s’épuisent de plus en plus vite.
L’électronique, le bâtiment, l’industrie mais principalement l’automobile constituent la grande partie du marché
des matériaux composites. Or ce n’est pas forcément dans ces domaines que les avancées technologiques se font
ressentir le plus. L’aéronautique, l’industrie du sport, l’industrie spatial et quelques autres secteurs utilisent
presque uniquement des matériaux composites à hautes performances, et ce sont eux qui requièrent un savoir-
faire et une maîtrise accrus.
Il est intéressant de noter que malgré un pourcentage de production très faible (1% de la production globale de
composites – en France), le chiffre d’affaires concernant les matériaux composites à hautes performances reste
bien supérieur à ce pourcentage. Cela est dû aux investissements nécessaires pour les recherches et le
développement de tels matériaux.
Les matériaux composites ont l’avantage d’être très légers flexibles et résistants (corrosion incluse).
Les composites peuvent être constitués de différents genres de fibres, tels que : le verre ; le carbone ; organiques ;
oxydes ; le carbure de silicium… Chacune possède des propriétés et des fonctionnalités différentes. Les fibres
peuvent être utilisées pour renforcer, presque, n’importe quel matériau existant.

4.1.1 Fibre de verre
La production de fibres de verre (en particulier) a débuté en 1930 aux États-Unis.
Jusqu’au début des années 2000, 99% des renforts en composite sont faits à base de fibres de verre.
4.1.1.1 Composition chimique
La composition chimique de la fibre de verre est plutôt complexe et variée mais les éléments de base sont les
suivants :
 • Silice (SiO2) – ayant une température de fusion → 1'750 [°C]
La silice est l’élément principal du mélange.
 • Oxyde de Sodium (Na2O)
 • Oxyde de potassium (K2O)
 • Fluor (F)
 • Oxyde de Calcium (CaO)
 • Oxyde de Magnésium (MgO)
 • Oxyde de Bore (B2O3)
Le mélange des différents éléments fait chuter la température de fusion à 1'200 [°C]
 • Alumine (Al2O3)
L’ajout d’alumine permet de modifier et stabiliser les propriétés physiques de la structure.

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4.1.1.2 Types
Il existe plusieurs sortes de fibre de verre, chacune à ses avantages et ses inconvénients, et par conséquent leurs
utilisations différent.
 • Type E – Utilisé pour la création de renforts ; Possède de bonnes propriétés électriques ; Densité et module
 de Young similaires à l’Aluminium (Al). (E – Electric)
 • Type S – Utilisé pour des structures à hautes performances en verre résine. Possède plus d’Alumine que les
 fibres de Type E ; Meilleures propriétés mécaniques. (S – Strength, force)
 • Type R – Utilisé pour des structures à hautes performances en verre résine. Possède plus d’Alumine que les
 fibres de Type E ; Meilleures propriétés mécaniques. (R – Résistance)
 • Type C – Bonne résistance à la corrosion en milieux acides (C – Corrosion)
 • Type D – Applications Diélectriques (D – Diélectrique)
 Tableau 2 - Composition et propriétés des fibres de verre [2]

 Type de verre E S R C D
 SiO2 54 65 60 65 74
 Al2O3 15 25 25 4
 CaO 18 9 14 0,2
 MgO 4 10 6 3 0,2
 B2O3 8 5,5 23
 F 0,3
 Fe2O3 0,3
 TiO2 0,1
 Na2O 8 1,2
 K2O 0,4 0,5 1,3
 Propriétés
 Densité 2,54 2,49 2,49 2,49 2,16
 Résistance (20°C) [Gpa] 3,5 4,65 4,65 2,8 2,45
 Module élastique (20°C) [Gpa] 73,5 86,5 86,5 70 52,5
 Déformation à la rupture (20°C) [GPa] 4,5 5,3 5,3 4 4,5

4.1.1.3 Structure
La structure de la fibre de verre suit les étapes de fabrication suivantes :
 • filée à 1 ou 2 [mm] de diamètre
 • Filaments étirés pour diamètre final entre 5 et 15 [µm]
 • Fragiles et élastiques
 • Abrasives
 • Ensimage
 o Résine revêtue pendant le filage des fibres
 o Lubrifiant pour transformation en tissu
 o Adhésif avec la résine
 o Peut contenir un agent antistatique

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4.2 État de l’art
Comme ce qui a été dit dans le chapitre précédent, de nos jours la technologie concernant les matériaux
composites, ne cesse d’évoluer. Des stratifiés composite peuvent avoir des caractéristiques similaires voire
supérieures à certains métaux.
Les fibres de verre se retrouvent le plus souvent sous la forme d’un drapage de fibres tissées ou non tissées (Mat).

Figure 7 - Tapis - Mat de fibre de verre Figure 6 - Toile/Roving - tissu de verre ou carbone

Le mat constitue un agglomérat de fibres de verre sans tissage ni orientation particulière. Il propose une
déformation facile et une bonne résistance en compression. Le plus souvent, le mat est utilisé comme support dans
une stratification. Il est disponible en plusieurs épaisseurs (p.ex. : 300g/m², 450g/m² et 600g/m²). La déformabilité
dépendra de l’épaisseur du mat.
La toile est tissée. Elle possède une bonne résistance en traction et en flexion. Par sa nature tissée, il existe un
risque de délamination. La toile est souvent utilisée pour solidifier une stratification. Comme pour le mat, il en
existe en plusieurs épaisseurs (p.ex. : 300g/m², 500g/m² et 800g/m²).
Quel que soit le substrat utilisé, il faut une matrice pour servir de liant et rendre toute la structure (peau) solidaire.
La matrice a pour but de transmettre les efforts mécaniques aux renforts.
Il existe trois grandes familles de matrices :
 1. Organiques – constitué de résine polymère,
 renfort en fibre de verre et/ou fibre de carbone.
 a. Thermoplastiques – longues molécules
 linéaires (liaisons faibles). Plus ductile
 que les thermodurcissables.
 b. Thermodurcissables – structure
 moléculaire tridimensionnelle (liaisons
 covalentes). Plus rigide et plus résistant
 que les thermoplastiques. Figure 8 - structure d'un stratifié en composite fibre24
 2. Céramiques – céramique en matrice et en renfort
 3. Métalliques – matrice en métal léger, renfort céramique ou métallique.

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Patch de réparation matière composite

Dans le cadre de ce travail, la peau étudiée possède une matrice organique thermodurcissable, c’est donc logique
de s’y intéresser en priorité.

4.2.1 Matrice organique thermodurcissable
Une matrice organique est une résine, mais, dans les résines aussi il existe différentes sortes :
 • Polyesters insaturés – utilisés le plus souvent avec la fibre de verre dans de diverses applications
 • Époxydes – bonnes caractéristiques mécaniques, utilisé pour des pièces que l’on veut performantes
 • Vinylester – plus adéquate pour résister aux « attaques » chimiques
 • Phénoliques – utilisé dans le transport civil par son ignifugation
 • Polymides – utilisé pour des applications à haute température (+300 °C)
Les trois dernières sont des résines assez particulières et utilisables dans des situations bien spécifiques.
Celles qui sont le plus intéressantes pour ce projet sont les résines polyester et les résines époxydes, utilisables
pour des renforts en fibre de verre et/ou en fibre de carbone.
 • Résine Polyester – résine la plus répandue dans la fabrication de matériaux composites. Il s'agit d'une résine
 thermodurcissable liquide, à laquelle on ajoute des charges. Il s'agit en général de composites à faible coût.
 o Temps de traitement de la résine peut être déterminé par l’utilisateur
 o Le mélange avec le durcisseur peut varier (généralement de 1 – 2.5 %)
 o Relativement libre dans le choix du tissu de renfort
 o Ne convient pas aux surfaces lisses tel que le verre et le métal
 o Odeur distincte, forte et nécessite du temps pour la faire s’échapper.

 • Résine Époxyde – Utilisée pour le moulage, recouvrement, mastics, colles et remplissage. Polymère fluide
 thermodurcissable qui catalyse et devient solide. Pour s’affermir la résine nécessite un durcisseur.
 o Possède une grande résistance pour les hydrocarbures et les chimiques
 o Excellentes propriétés mécaniques
 o Adhérence sur énormément de supports

 • Résine UV – résine synthétique. Utilisable pour des bijoux, et petites surfaces pour scellement. Durcit
 rapidement à l’aide d’une lampe UV spéciale. Utilisable sans durcisseur.
 o Utilisable longtemps, durcissement avec lampe UV
 o Ne se conserve pas au-delà de 6 mois
 o Couches minces de 3 à 4 [mm]. (Nécessite plusieurs couches coulées pour des raisons de sécurité)

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Patch de réparation matière composite

4.3 Calculs Théoriques
Les éprouvettes sont soumises à une force de traction. La section de l’échantillon est tirée jusqu’à la rupture.
La contrainte normale est calculée à l’aide de la formule suivante :
 
 = =
 ⋅ 
La force d’arrachement du patch, contrainte en cisaillement, doit être
supérieure à la force de traction que le matériau de base est capable de
subir.
 ⋅ > ⋅ ⋅ 

Le pourcentage volumique de fibre est donné par les formules suivante :

 = ∙ 
 = ∙ 
 
 = ∙ 100 = ∙ 100
 + 

Pour définir l’épaisseur de la réparation nécessaire à ce que la contrainte normale exercée sur le patch ne soit pas
supérieure à celle du substrat :

 Figure 9 - schéma réparation par patch - définir l'épaisseur34

 1 ⋅ 1 ⋅ = 2 ⋅ 2 ⋅ 

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Patch de réparation matière composite

5 Matériaux et méthode
5.1 Démarche
 • Caractérisation du substrat de base
 • Analyse approfondie de la matière – pourcentage de fibre/résine - microscopie
 o Fabrication d’éprouvettes ayant un meilleur pourcentage fibre/résine
 o Caractérisation des éprouvettes
 o Analyse approfondie de la matière – microscopie – comparaison avec substrat de base
 • Dimensionnement du patch
 • Paramétrage
 o Sélection des résines
 ▪ Tests de polymérisation – définition des temps de gel – présélection des résines
 o Préparation de surface
 • Réparations
 • Caractérisation des éprouvettes réparées
 • Amélioration des éprouvettes pour les meilleurs candidats
 • Caractérisation des éprouvettes
 • Sélectionner choix finaux
 o Procédure complète pour le/les choix final/finaux

5.1.1 Outils utilisés
Pour les éprouvettes (découpe, préparation, réparation)
 - Masque avec filtre - Perceuse-visseuse
 - Tenue de protection jetable - Ponceuse orbital
 - Gants jetables - Papier à poncer
 - Lunettes de protection - Outil multifonctions Dremel
 - Pinceaux - CNC (découpe précise)
 - Rouleau à débuller - Scie à vibration
 - Pistolet à mesure thermique - Balance
 - Pots jetables - Ciseau à tissu
 - Bâtons à mélanger - Feun
 - Scie à métaux - Pied à coulisse
 - Marqueurs indélébiles - Règle
 - Lampe UV - Scotch
 - Plastique de protection
Pour les essais microscopiques
 - Produits pour enrobage manuel
 - Tables de polissage manuel
 - Microscope numérique Keyence
Pour les essais de traction
 - Machine de traction Shimadzu AGS-X (20 [kN])

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Patch de réparation matière composite

5.1.2 Technique
5.1.2.1 Microscopie
Préparation des enrobages à froid avec le DEMOTEC 35
 Pour un moule d’enrobage de 30 mm de diamètre :
 1. Préparer environ 18 ml de poudre + 7.5 ml de liquide dans
 des récipients séparés.
 2. Verser d’abord le liquide, puis la poudre dans le gobelet
 prévu à cet effet, puis couler la résine dans le moule.
 3. Temps de polymérisation : environ 10 à 15 minutes.
 4. Démouler.
 Figure 10 - produits d'enrobage et enrobage éprouvette
 Il est aussi possible de faire un enrobage avec une résine de
 polymérisation, époxyde ou polyester, avec les mesures et précautions nécéssaires pour un même résultat.
Procédure de polissage
Utiliser les tables de polissage, du disque avec le grain le plus grand jusqu’au plus fin pour un effet « miroir ».

Figure 11 - Procédure de polissage de l'enrobage

Utilisation du microscope
Le microscope numérique Keyence permet une luminosité différente et, dans ce cas meilleur que sur un microscope
classique, ce qui permet d’avoir une bonne vision des détails de l’échantillon.

Figure 13 - vue microscope "classique" Figure 12 - vue microscope numérique (Keyence)

Les fibres retenues dans la résine se distinguent plus clairement sur le microscope numérique.
Remarque : Les images ne sont pas à la même échelle.

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Patch de réparation matière composite

5.1.2.2 Essais de traction
Une fois les éprouvettes découpées et prêtes pour l’essai de traction, il faut les fixer
dans la machine de traction.
Le choix de la méthode est important. Une vitesse de traction trop élevée risque de
négliger certaines réactions de l’éprouvette, il faut privilégier une vitesse plus lente
pour que le graphique démontre la vraie évolution de la matière en fonction de
l’évolution de la force de traction.
La vitesse utilisée dans ce projet est de 5 [mm/min] en traction simple.
La zone de l’éprouvette qui sera en course est définie par des standards. Il est
primordial d’avoir une zone d’accroche suffisante pour éviter que l’éprouvette glisse
ou que cela fausse les résultats.
Dans ce projet la zone de course était de 250 [mm] pour une partie des éprouvettes
et de 200 [mm] pour les autres. Les tab, zone d’accroche, ayant en moyenne une Figure 14 - Photo essai de traction
longueur de 30 [mm].

5.2 Caractérisation du matériau de base
La définition des caractéristiques de base de la matière
constituant la peau des composants de train a été faite en
plusieurs étapes. À la suite des essais de traction sur les
éprouvettes préalablement découpées d’un capot de toiture usé,
il s’est avéré intéressant de vérifier la constitution au microscope.
L’analyse microscopique de la structure de la peau a donné des
informations importantes pour comprendre les résultats obtenus
lors des essais de traction.

 Figure 15 - Découpe des éprouvettes dans le morceau de
 toiture

 Pour créer un patch plus robuste et similaire aux
 réparations effectuées en interne (lors de la
 révision des véhicules), des éprouvettes utilisant
 les deux renforts disponibles aux CFF ainsi que
 leur résine de réparation (matrice) ont été
 fabriquées.
Figure 16 - Éprouvettes fabriquées en résine et renfort disponibles dans les
ateliers CFF
Une deuxième analyse microscopique permet la comparaison entre les deux peaux.
La caractérisation se termine lorsque toutes les informations requises à la fabrication du patch sont obtenues et
que ces informations peuvent être utilisées pour la validation des réparations avec les différents candidats.

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Patch de réparation matière composite

5.3 Dimensionnement de la conception du patch de réparation
Le dimensionnement du patch prend en compte les données obtenues lors de la caractérisation du matériau de
base.
Dans notre cas, les pièces étudiées à la base sont relativement faibles en fibres et ne correspondent que
partiellement à ce qui se fait actuellement au sein de l’entreprise SBB-CFF (beaucoup de composants ont été
réparés par endroit et possèdent donc un pourcentage de fibre plus élevé à l’emplacement des réparations). Le
patch se veut apte à réparer le composant en composite, qu’il ait été réparé lors d’une révision ou encore
totalement conforme à l’origine de sa fabrication.
Les données prises en compte sont donc celles obtenues pour une peau de réparation, constituée par le tissu avec
pontage et la résine utilisés par les CFF. Données qui sont issues des tests de traction effectués sur les éprouvettes
de la peau de réparation.
Les formules contenues dans le chapitre 4.3 :
 ⋅ > ⋅ ⋅ 

Permet de calculer l’aire de collage nécessaire au patch pour une certaine
valeur de contrainte en cisaillement dynamique. Cette valeur est donnée
par Scotch Weld2, qui sert ici de référence avec une valeur fournie sur un produit équivalent :
 = 30 [ ]
Si on considère un facteur de sécurité de 2, notre contrainte est divisée par ce même facteur :
 = 15 [ ]
La contrainte normale, est une moyenne des valeurs obtenues graphiquement :
 ≅ 120 [ ]
 = 1.6 [ ]
 = 25 [ ]
Avec les données précédentes il est possible de calculer l’aire de collage :
 ≅ 320 [ 2 ]
La longueur de réparation est donc : ≅ 12.8 [ ]
En appliquant la formule concernant les épaisseurs de substrat et de réparation :
 1 ⋅ 1 ⋅ = 2 ⋅ 2 ⋅ 
Sachant que la largeur est la même pour les deux parties de la réparation. En
utilisant la valeur de contrainte obtenue pour une peau à 40%, pour simuler la
contrainte du patch :
 1 = 200 [ ]
Et la valeur utilisée précédemment pour mais en 2. De même pour 2 = .
 1 = 0.96 [ ]
Cette valeur correspond à l’épaisseur de patch pour une réparation de l’éprouvette fabriquée aux CFF.

Ces valeurs suffisent pour un dimensionnement sommaire de la réparation. Les résultats pratiques permettent de
vérifier la théorie.

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5.4 Renforts
Tableau 3 - Matériel CFF – tissu et mat
 Position Matériel Fabriquant N° fournisseur N° article SBB Quantité
 1. Mat 150 [g/m2] SwissComposite 190.0812
 2
 Mat 450 [g/m ] SwissComposite 501.1450
 2. Tissu de verre avec pontage SwissComposite 190.1158

Utilisation de mat et tissu pour la fabrication d’éprouvettes équivalentes aux réparations faites lors de la réparation
des composants en composite au sein des CFF. Produits fournis par les ateliers CFF.

 Figure 17 - description du pontage (Swiss Composite)

Le tissu utilisé pour les réparations par la suite est du même grammage que celui utilisé par les CFF mais il ne
possède pas de promoteur d’adhérence. Ceci permet au tissu de bien fonctionner avec tous les types de résines et
non pas seulement avec des résines spécifiques au pontage.

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5.5 Présélection des résines
La matrice en résine qui compose la peau du patch doit « obéir » à certains critères. Ces critères permettent de
faire un premier tri parmi la vaste quantité de résines présentes dans le marché.
Le premier critère qui délimite le champ de recherches est contenu dans le chapitre 4.2.1. Pour que cela convienne
au projet, la résine doit être, en priorité, de nature époxyde ou polyester.
Ensuite, le cahier des charges permet de rédiger les critères suivants :
Tableau 4 - critères de présélection des résines

 caractèristiques voulues
 applicable par des températures variables entre 0 et 40 °C
 si nécéssaire, chauffer pour atteindre le TG
 température de durcissement ne doit pas dépasser les 80 °C
 Critères de
 sélection vie en pot - avoisinant les 30 minutes - marge de manœuvre pour le collaborateur
 traitement de surface nécéssaire
 temps de durcissement (80%) ne doit pas dépasser 24h
 température de service en dessous des 80°C

Le dernier point de la présélection sont la disponibilité et la similitude entre les produits. Le projet ayant une durée
déterminée, il est impératif de s’assurer que les produits arriveront dans des délais et quantités raisonnables pour
procéder aux tests. Les différentes entreprises qui proposent des résines ont souvent leurs propres formules mais
finalement, la résine de l’entreprise x aura les mêmes caractéristiques que celle de l’entreprise y, avec une
dénomination différente.
Tous ces points permettent d’avoir des produits variés disponibles pour les sessions de test et classement des futurs
candidats.

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5.6 Prégel utilisé pour remplir les fissures

 Figure 18 - propriétés prégel Solarez

Ce produit réagissant aux UV est très pratique pour tenir le délai imposé pour la réparation.
Il se polymérise très vite au contact des rayons UV, environ 3 min.
Contient directement des morceaux de fibre de verre, comme un prégel « classique ».

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5.7 Résines sélectionnées
5.7.1 Walter Mäder
Résine actuellement utilisée dans les ateliers CFF, d’Yverdon, pour la réparation de composants en matière
composite. Résine de type Polyester qui est directement pré-accélérée, le durcisseur est rajouté à hauteur de 2%
selon des tests faits à l’interne (CFF).
Dénomination résine : Giralithe® Ditra GL 2109-10 XP white 3010
Description contenue dans la documentation interne à l’entreprise :
Tableau 5 - Matériel CFF - résine

 Position Matériel Fabriquant N° fournisseur N° article SBB Quantité
 1. Giralithe Ditra GL 2109-10/11 (base) Walter Mäder AG 923.3.0.0001 .. Kg
 NUVOCURE ME 60-210 (durcisseur) Walter Mäder AG 891.3.0.0001 HW 25 Kg
 Beschleuniger N / 0,4% CO Walter Mäder AG 892.0.0.0001 .. Kg
 (accélérateur)
 Description Base Ratio Durcisseur Ratio Accélérateur Ratio

 Giralithe Ditra GL NUVOCURE ME Beschleuniger N / 0,1 – 0,5 %
 Résine 100 gr. 1,5 %
 2109-10/11 60-210 0,4% CO Idéal 0,45 %

Figure 19 - propriétés résine Walter Mäder

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5.7.2 Suter Kunststoffe (SwissComposite)
Résine déjà présente dans le laboratoire utilisé pour le projet et malgré tout un choix intéressant car, elle
correspond bien au cahier des charges.
Dénomination résine : Résine époxyde L

Figure 20 - propriétés résine Swiss Composite32

Dénomination durcisseur : Durcisseur S

Figure 21 - Propriétés durcisseur Swiss Composite32

 Figure 22 - Caractéristiques
 R+D Swiss Composite32

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5.7.3 EasyComposite
Autre résine époxyde, différente de la résine de chez Swiss Composite, et qui semble aussi être un bon candidat
selon les critères.
Dénomination Résine et Durcisseur : Résine et durcisseur Epoxy Rapid Repair

Figure 23 - Propriétés résine et durcisseur Easy Composite29

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5.7.4 WestSystem
Troisième résine époxyde, un produit de chez West System qui ont une très bonne réputation sur le marché et dont
un des produits correspond bien aux critères.
Dénomination Résine et Durcisseur : Résine époxyde 105 et durcisseur rapide 205

 Figure 24 - propriétés résine et durcisseur West System31

Reconversions utiles : 1 [Psi] = 0,00689476 [MPa]
 (1 [°F] − 32) × 5/9 = -17,22 [°C]
 1 [cps] = 0.1 [Pa*s]

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5.7.5 Solarez
Solarez est une entreprise américaine spécialisée dans le traitement de planches de surf, une grande partie de leurs
produits sont destinés à ce secteur-là. Mais leurs produits ont une particularité qui est un facteur non négligeable
dans ce projet, leur temps de polymérisation est extrêmement rapide car, certaines résines proposées par Solarez
sont des résines réagissant aux UV et qui ne nécessitent pas de rajout de matière (durcisseur). Ce sont ces résines
aux UV qui sont sélectionnées, sous forme de kits de réparation, époxyde et polyester. Les pots de résine sont assez
difficiles à se procurer en Suisse mais les kits de réparation, très complets, ont quelques revendeurs dans le pays.
(exemple : Cloud-9.ch)
Dénomination de la résine : Résine Polyester Dual-Cure

 Figure 25 - Propriétés résine et kit Polyester Solarez28/33

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En plus du kit contenant la résine polyester, un kit équivalent contenant une résine époxyde est aussi un bon
candidat. Cette résine, contrairement à la résine polyester de chez Solarez, nécessite l’ajout d’un durcisseur.

Dénomination de la résine et durcisseur : Kit époxyde Wahoo 2 parties

 Figure 26 - Propriétés résine et kit époxyde Solarez28/33

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5.7.6 Kwasny
Cette dernière résine choisie est une résine polyester, de la gamme auto-K de chez Kwasny, qui se trouve dans une
grande majorité des revendeurs de produits de bricolage. Son utilisation première est la carrosserie automobile, il
semble donc très intéressant de la tester pour voir si une résine aussi facile à se procurer pourrait correspondre au
patch de réparation.
Dénomination de la résine et durcisseur : Auto-K résine polyester de réparation

 Figure 27 - propriétés résine polyester Kwasny30

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5.8 Résumé des résines présélectionnées
 Tableau 6 - résumé des résines

 Temps de Temp. de
 Fabricant Désignation Type Durcissement
 travail service
 Swiss Composite Harz L + Härter S époxyde 15 min 16 - 24h 60°C
 west harz 105 + härter 6-8h (1-4 jours
 West System époxyde 9-12 min -
 205 le total)
 Acrylic modified
 Solarez acrylic poylesther UV
 polyester or epoxy resin
 Solarez epoxy resin époxyde
 Giralithe ditra 2109-10
 Walter Mäder polyester 18-23 min < 89°C
 xp / 2109-11 xp
 kit reparation et résine
 Easy Composite époxyde 15 min 1-2h ?
 reparation 15min
 Kwasny polyesther rapide polyester 4-7 min 20-30min

 Figure 28 - Photo des produits présélectionnés

5.8.1 Conseils pour l’utilisation des résines
Certaines résines ont un temps de polymérisation à la base plus long que celui qui est nécessaire pour ce projet.
Il est conseillé d’utiliser un foehn/lampe chauffante pour activer plus rapidement les polymérisations des
différentes résines, en particulier les résines époxy testées.
Ne pas oublier de contrôler cette température de chauffe à l’aide d’un thermomètre laser. Il ne faut pas dépasser
les 80 °C ou la mousse contenue dans la peau sandwich de la toiture risque de se délaminer.

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5.9 Méthodes de réparation
Plusieurs méthodes de réparation peuvent s’adapter à une réparation par patch. Ces méthodes ne présentent pas
de grandes différences et peuvent toutes bien convenir à notre cas. Pour certains types de peaux une ou l’autre
présentera des meilleurs atouts mais ce n’est pas le cas pour ce projet.
 • Réparation échelonnée
Ponçage échelonné du substrat et plis de fibre échelonnés pour la réparation.
Figure 29 - Exemple de réparation par patch (stepped) [Airbus, 2006]

Figure 30 - Schéma réparation échelonnée (https://www.wikiwand.com/en/Composite_repair)1

 • Réparation par patch échelonné
Ponçage du substrat sans faire d’échelons.

Figure 31 - Schéma réparation par patch échelonnée (https://www.wikiwand.com/en/Composite_repair)1

 • Réparation par patch (surépaisseur)
Remplir le trou et refaire une peau par-dessus.

Figure 32 - Schéma réparation par patch - surépaisseur (https://www.wikiwand.com/en/Composite_repair)1

La méthode choisie pour ce projet est celle de la surépaisseur, mais sous un format légèrement différent.

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