Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Dans le domaine des matériaux, une catégorie particulière, les plastiques, présente des qualités intéressantes : ils sont très abondants, peu coûteux, légers, durables, résistants à la corrosion, en plus d’avoir des propriétés d'isolation thermique et électrique élevées. Vu ces caractéristiques, le succès commercial des plastiques n’est pas totalement surprenant. La diversité des matériaux plastiques et la polyvalence de leurs propriétés sont utilisées pour réaliser une vaste gamme de produits qui apportent des progrès technologiques à l’industrie, des économies aux entreprises et de nombreux avantages à la société (Andrady and Neal 2009). La fabrication d'articles en plastique a ainsi augmenté considérablement au cours des 60 dernières années, passant d'environ 0,5 million de tonnes en 1950 à plus de 260 millions de tonnes aujourd'hui (Thompson, Moore et al. 2009). Uniquement en Europe, l'industrie du plastique affiche un chiffre d'affaires supérieur à 300 millions d'euros et emploie 1,6 million de personnes (Europe 2009). Presque tous les aspects de la vie quotidienne impliquent des plastiques : dans les transports, les télécommunications et dans la fabrication des chaussures. On les retrouve aussi, comme matériaux d'emballage qui facilitent le transport d'une large gamme de produits alimentaires, des boissons et d'autres produits (Thompson, Moore et al. 2009). Il existe un potentiel considérable pour de nouvelles applications de matières plastiques qui apporteront des avantages à l'avenir (Andrady and Neal 2009). Actuellement, l’engrenage qui est d’emblée choisi pour une application donnée est souvent en plastique. À cet égard, selon une analyse du Groupe Freedonia, les applications d'engrenages en plastique ont augmenté de 83 % entre 2003 et 2013. Cette augmentation représente 1300 M$ en 2013, contre 710 M$ en 2003 (Freedonia 2012, Mijiyawa, Koffi et al. 2014). Cependant, malgré leurs multiples avantages, l’usage intensif des matériaux plastiques et composites de base polymérique pose des problèmes de développement durable du fait de l’épuisement des ressources pétrolières et de la pollution qu’elles engendrent. La pollution associée à des matières plastiques nous amène à considérer des applications où les plastiques pourraient être remplacés par d’autres matériaux, à tout le moins partiellement (Mijiyawa, Koffi et al. 2014). Grâce à une plus grande sensibilisation aux problèmes environnementaux, cette dernière décennie a connu une utilisation croissante des fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites. L’alternative que nous proposons dans le présent projet consiste à étendre l’usage de nouveaux plastiques d’origine végétale et de leurs composites en fibre de bois d’origine papetière à la fabrication des pièces mécaniques comme les engrenages. En plus d’être recyclables, les composites à fibres de bois (biocomposites) présentent des propriétés mécaniques intéressantes et peuvent concurrencer, dans plusieurs domaines d’application, avec les matériaux non écologiques traditionnels. Ce « virage vert » contribue fortement à diminuer l’effet négatif de notre croissance économique sur l’environnement. Notre travail porte donc sur la mise en oeuvre et l’étude de l’endommagement thermomécanique des pièces en bioplastique ou plastique d’origine végétale et en composites de fibres naturelles. Le choix de ces matériaux doit être commandé par leurs multiples caractéristiques propres reconnues qui leur procurent un avantage par rapport aux matériaux conventionnels. L’utilisation des engrenages en plastique pour la transmission de mouvement est en croissance. Cependant, le cadre théorique et la science des engrenages métalliques ne se transposent pas facilement aux matériaux thermoplastiques. On observe, en effet, certaines limitations lorsque l’on compare les engrenages plastiques aux engrenages métalliques : une faible capacité maximale, des limitations quant aux températures de fonctionnement, à la stabilité dimensionnelle (faiblesse due au retrait en moulage), à la dilatation thermique et à l'absorption d'humidité (Walton and Shi 1989). La variation prononcée des propriétés avec la température pose aussi problème. Les bris dits thermiques s’ajoutent aux bris que rencontrent les engrenages en métal. Ces caractéristiques constituent des facteurs limitatifs dans la conception d'engrenages en plastique. Raison pour laquelle, dans la pratique, seulement les plastiques présentant d’excellentes caractéristiques mécaniques, comme le nylon et l’acétal, sont utilisés pour la fabrication des engrenages en plastique à des fins de transmission de puissance (Koffi 1988). Ces plastiques très performants, communément appelés « plastiques d’ingénierie », sont relativement chers par rapport à d'autres solutions en plastique (Mijiyawa, Koffi et al. 2013, Bravo, Toubal et al. 2015). Il est important de noter que les plastiques en général se caractérisent par un module d’élasticité environ cent fois plus faible que la plupart des aciers, et trente fois plus faible que l’aluminium (Koffi 1988, Bravo, Koffi et al. 2015). Cette caractéristique provoque des effets particuliers pour l’engrenage, notamment une grande déformation des dents, entraînant ainsi une extension du contact entre dents en dehors de la ligne d’action (avant et après la fin théorique de l’engrènement) ce qui résulte finalement dans un format de répartition des forces de transmission très diffèrent de l’attendu lors d’un engrènement purement métallique (Demagna Koffi and Loigerot 2004). Nous chercherons, à travers la présente thèse, une solution plus adaptée au niveau environnemental, solution autre que les traditionnels nylon et acétal, pour les engrenages plastiques. Nous savons que la principale raison de l’utilisation des engrenages plastiques (faisant appel au nylon et à l’acétal) sont leurs propriétés mécaniques élevées comparées aux autres plastiques. De ce fait, la solution la plus adéquate serait d’utiliser un plastique de base plus écologique et de le renforcer avec des fibres aussi écologiques ce qui lui confèrerait des propriétés mécaniques comparables à celles des plastiques d’ingénierie tout en étant plus écologique et plus économique. Considérant le contexte général, cette entreprise constitue un grand défi. Il est aussi important de remarquer que peu de travaux ont été réalisés dans ce domaine (comme l’indique la recension des écrits sur le sujet), ajoutant ainsi une autre complexité. Néanmoins, les retombées de ce travail une fois accompli pourraient potentiellement être très grandes. Pour parvenir à la réalisation d’un engrenage écologique, il est fondamental de bien connaître le matériau écologique qui remplacera les plastiques traditionnels. Pour cela, nous avons consacré une bonne partie de la thèse au développement et à l’étude approfondie des caractéristiques et de l’endommagement des matériaux cibles de l’étude. Nous avons choisi certains plastiques et avons développé leurs composites de fibres naturelles. Nous avons réalisé des études expérimentales pour la caractérisation du comportement thermomécanique de ces matériaux, incluant une comparaison avec les thermoplastiques d’ingénierie couramment utilisés. Par ailleurs, nous avons considéré trois grands aspects importants pour la mise en pratique de ces engrenages écologiques : la simulation numérique, la caractérisation expérimentale du fonctionnement réel et l’optimisation de l’application. En ce qui concerne la simulation, nous avons conclu qu’il n’existait pas de modèles complets pouvant tenir compte de tous les modes d’endommagement ayant lieu simultanément sur un engrenage plastique en fonctionnement. Une section de cette thèse sera ainsi dédiée au développement d’un tel outil. Ensuite, nous avons étudié les techniques d’optimisation de l’aspect thermique de l’engrenage. Avec certaines modifications sur la géométrie de la dent, nous avons conclu que nous pouvons élargir le champ d’application des engrenages plastiques avec un compromis optimal sur la perte de propriétés de rigidité de la dent. Enfin, nous avons simulé expérimentalement l’application des engrenages écologiques en utilisant un banc d’essai approprié. Les résultats ont ensuite été comparés avec ceux des matériaux traditionnels de la littérature.