Composite materials continue to replace metal in a growing number of applications due to their recognized performance, tailorability, life-cycle, and manufacturing advantages. While continuous fibre composites are the primary materials employed to replace metallic components in aerospace applications, their current use is generally limited to large shell-like structures. There is thus an emerging interest in the aerospace industry to use composite materials at a smaller scale to replace complex-shaped metallic components. This presents some unique challenges, mainly because traditional continuous fibre composite materials are practically unusable for this type of application, while short-fibre injection moulded parts have limited mechanical properties, although being highly versatile geometrically. Lying between these two extremes are discontinuous long fibre (DLF) composites, a bulk moulding compound type of material that can be compression moulded into complex-shaped parts. This technique has been shown to be very effective for moulding net-shaped components having features such as varying wall thickness, tight radii, reinforcing ribs, flanges, mould-in holes, etc. However, the increase in part complexity introduces manufacturing problems. One problem in particular arises during processing of thermoplastic composites, where inconsistent part quality may occur if the consolidation pressure is lost before solidification of the matrix during cooling. Such a phenomenon can be difficult to predict due to the complex nature of DLF composite parts. Given that understanding and predicting defect formation is crucial to achieving success in manufacturing of complex-shaped composite parts, a threefold approach was used in this thesis to study the phenomena that influence this behaviour.

First, crystallization kinetics, thermal and crystallization shrinkage, and modulus development of carbon/Polyetheretherketone (PEEK) composites were characterized during cooling down from the melt temperature using thermal analyses. The results showed very rapid changes in thermomechanical properties during crystallization. The mechanisms responsible for the loss of pressure during cooling and subsequent defect formation were identified.

Second, an experimental investigation of the moulding defects formed during cooling of DLF composite was conducted. Loss of contact between the material and the tooling surfaces due to thermal shrinkage was observed experimentally. Moulding defects were reproduced on simple flat panels using an instrumented test fixture and the critical temperature range of defect formation was identified. The effect on mechanical properties was quantified by comparing the strength of specimens having different levels of moulding induced defects. The sensitivity to void content observed was much higher than what is commonly reported for continuous fibre composites. The importance of a proper cooling strategy was demonstrated by successfully moulding a defect-free L-bracket with a rib feature.

Finally, a finite element model was developed to predict defect formation during compression moulding of DLF carbon/PEEK composites. Analytical equations based on the thermal characterization results were developed to evaluate thermomechanical properties as a function of temperature, cooling rate, and degree of crystallinity. The process model showed that the maximum temperature at which the pressure is lost during cooling is very sensitive to the temperature variation of the part and the applied moulding pressure. It was also demonstrated that the order in which components are cooled is key to ensure a good consolidation of complex-shaped features.

Material characterization and processes modelling developed from simple experiments allowed for successful understanding of the nature of the mechanisms responsible for defect formation during moulding of DLF composites. The approach presented in this work could be used to identify problematic regions of a part before manufacturing, considerably reducing the trial and error often required to successfully manufacture defect-free DLF composite parts.

Les matériaux composites sont utilisés pour remplacer des pièces métalliques dans un nombre grandissant d’applications. La popularité de ceux-ci est principalement due à leur haute performance, leur excellente adaptabilité et leurs avantages au niveau de la fabrication. Bien que les composites à fibres continues sont les matériaux principalement utilisés pour la conception de pièces à haute performance en aérospatiale, leur utilisation actuelle est généralement limitée à de grandes structures à paroi mince. Il y a donc un intérêt émergeant dans l’industrie aérospatiale pour faire l’usage des matériaux composites à plus petite échelle, afin de remplacer des pièces métalliques complexes. Cela présente des défis uniques, car les composites à fibres continues traditionnels sont pratiquement inutilisables pour ce type d’application. D’autre part, les pièces fabriquées par injection de plastique avec fibres courtes ont des propriétés mécaniques inférieures, bien qu’étant très polyvalentes géométriquement. Entre ces deux extrêmes, les composites à fibres longues discontinues (FLD) offrent la possibilité de fabriquer des pièces à géométrie complexe par l’entremise du moulage par compression. Cette technique s’est avérée très efficace pour le moulage de pièces à finition immédiate ayant des caractéristiques telles que des variations d’épaisseur, des rayons serrés, des nervures de renfort, etc. Cependant, l’augmentation de la complexité des pièces peut introduite des problèmes de fabrication. Un problème en particulier se pose lors de la fabrication des composites thermoplastiques, o`u une variation de la qualité des pièces peut survenir si la pression de consolidation est perdue avant la solidification de la matrice durant le refroidissement. Ce phénomène peut être difficile à prédire en raison de la nature complexe des pièces composites FLD. Etant donn´ ´ e que la compréhension et la prédiction de la formation de défauts sont cruciales dans la fabrication de pièces composites à géométrie complexe, une approche en trois volets a été utilisée dans cette thèse pour étudier les phénomènes qui influencent ce comportement.

Tout d’abord, la cinétique de cristallisation, le retrait thermique et de cristallisation, ainsi que le développement du module d’élasticité du composite carbone/polyétheréthercétone (PEEK) ont été caractérisés au cours du refroidissement à partir de la température de fusion en utilisant des analyses thermiques. Les résultats ont démontré des changements très rapides dans les propriétés thermomécaniques au cours de la cristallisation. Les mécanismes responsables de la perte de pression durant le refroidissement et la formation subséquente de défauts ont été identifiés.

Ensuite, une étude expérimentale sur les défauts de moulage formés au cours du refroidissement des composites FLD a été effectuée. La perte de contact entre les surfaces du moule et le matériel causée par le retrait thermique a été observée expérimentalement. Les défauts de moulage ont été reproduits sur des panneaux plats à l’aide d’un montage instrumenté. La plage de température critique de la formation de défauts a été identifiée. L’effet sur les propriétés mécaniques a été quantifié en comparant la résistance d’échantillons ayant différents niveaux de défauts de moulage. La sensibilité à la porosité observée était beaucoup plus élevée que celle communément rapportée pour les composites à fibres continues. L’importance d’une stratégie de refroidissement adéquate a été démontrée en fabriquant avec succès une pièce en L avec une fonction de nervure sans défauts.

Finalement, un modèle d’éléments finis a été développé pour prédire la formation de défauts pendant le moulage par compression des composites FLD. Des équations analytiques basées sur les résultats de caractérisations thermiques ont été développées afin d’évaluer les propriétés thermomécaniques du matériau en fonction de la température, de la vitesse de refroidissement, et du degré de cristallinité. Le modèle a démontré que la température maximale à laquelle la pression est perdue au cours du refroidissement est très sensible à la variation de température dans la pièce ainsi qu’à la pression de moulage appliquée. Il a également été démontré que l’ordre dans lequel les composants sont refroidis est très important afin d’assurer une bonne consolidation sur les caractéristiques de la pièce ayant des formes complexes.

La caractérisation des matériaux et la modélisation des processus développées à partir d’expériences simples à petite échelle ont permis de comprendre avec succès la nature des mécanismes responsables de la formation de défauts lors du moulage de composites FLD. L’approche présentée dans ce travail pourrait être utilisée pour identifier les régions problématiques d’une pièce avant de la fabrication, réduisant considérablement les essais et erreurs souvent nécessaires au succès de la fabrication de pièces composites FLD sans défaut.