Comparative Study of Methods for the Quantification of Fiber Orientations of Composite Reinforcements

Etude comparative des méthodes de quantification des orientations de fibres dans les renforts des composites

Elena Syerko (1) , Laura Oter (1) , Ajinkya Pawar (1) , Christophe Binetruy (1) , Suresh G. Advani (2, 1) , Benedikt Eck (1, 3)

1 GeM - Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique
2 University of Delaware [Newark]
3 FAURECIA

Macroscopic properties of composites are highly dependent on the properties and distribution of fibers.Thus, knowing the distribution of fiber orientations is necessary to predict the mechanical performance of the final part. Various image processing techniques have been developed for the quantification of fiber orientations fromoptical microscopy, X-ray tomography images. However, these quantification methods are not appropriate for all types of fiber reinforcement architecture: chopped straight fibers or curved tows in the SMCs, continuous fibers in laminates. This study identifies the guiding parameters for different methods that can control possible sources of error in the quantification. The structure tensor method, Fast Fourier Transform based method, stereological method,and single-slit projection method are analyzed and compared.The advantages and limitations of the methods are discussed with respect to the ease of use, their application to 2D or 3D structures, sensitivity to the image noise and other criteria. Recommendations are given for the choice of method according to the type of fibrous reinforcement and image quality.

Les propriétés macroscopiques des composites dépendent fortement des caractéristiques et de la distribution des fibres. Ainsi connaitre la distribution des orientations des fibres est nécessaire pour prédire les performances mécaniques de la pièce finale. Différentes techniques de traitement d’image ont été développées pour la quantification des orientations des fibres à partir des images de la microscopie optique, de la microtomographie aux rayons X. Cependant ces méthodes de quantification ne sont pas appropriées pour tous les types d’architecture des renforts fibreux: fibres coupées droites ou mèches courbées dans les SMCs, fibres continues dans les stratifiés. Cette étude identifie les paramètres clefs des différentes méthodes qui peuvent contrôler des sources d’erreur possible dans la quantification. La méthode du tenseur de structure, la méthode basée sur la transformée de Fourier rapide, la méthode stéréologique et la méthode de la projection à travers une fente sont comparées. Les avantages et inconvénients des méthodes sont discutés vis-à-vis de leur facilité d’utilisation, leur application aux structures2D ou 3D, la sensibilité au bruit présent dans l’image et d’autres critères. Les recommandations sont données pour le choix de la méthode en fonction du type du renfort fibreux et la qualité d’image.

Mots clés: misalignment; image processing; composite reinforcement; fiber orientation; distribution

Mots clés: distribution; analyse d’image; désalignement; orientation de fibres; renforts des composites

Domaines: Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]

Elena Syerko, Laura Oter, Ajinkya Pawar, Christophe Binetruy, Suresh G. Advani, et al.. Etude comparative des méthodes de quantification des orientations de fibres dans les renforts des composites. 21ème Journées Nationales sur les Composites, École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) - Bordeaux, Jul 2019, Bordeaux, Talence, France. ⟨hal-02420776⟩