Fabrication de composites

Au cours des quatre dernières décennies, l’exploitation des plastiques renforcés de fibres (PRF) dans les structures d’ingénierie s’est progressivement diversifiée, allant des équipements sportifs aux voitures de course de haute performance, en passant par les hélicoptères et, plus récemment, les avions commerciaux. Les matériaux composites sont essentiellement une combinaison de deux matériaux différents ou plus qui sont utilisés ensemble afin de combiner les meilleures propriétés ou de conférer un nouvel ensemble de caractéristiques qu’aucun des matériaux constitutifs ne pourrait atteindre seul. Les composites techniques sont généralement constitués de plis individuels qui prennent la forme de fibres continues et droites (p. ex. carbone, verre, aramide, etc.) incorporés dans une matrice polymère hôte (par exemple. phénolique, polyester, époxyde etc.), qui sont stratifiés couche par couche afin de constituer le matériau / la structure finale.

En ce qui concerne la fabrication de composites avancés renforcés de fibres, l’aspect le plus important à reconnaître est que le matériau et la structure sont créés en même temps. Par conséquent, les défauts induits au cours du processus de fabrication influencent directement la résistance et la rigidité du matériau et de la structure. Chaque petit détail est important.

Un grand nombre de procédés de fabrication de composites ont été développés au cours des 40 dernières années, notamment: moulage par contact, moulage par compression, moulage par sac sous vide / autoclave, moulage par rotation, moulage par transfert de résine (RTM), emballage de ruban, enroulement filamentaire, pultrusion, moulage par vessie expansible, etc. Tous ces procédés ont plusieurs caractéristiques en commun : les armatures sont amenées dans la forme voulue dans un outil ou un moule, la résine et les fibres sont réunies éventuellement sous température et pression élevées pour durcir la résine, et le moulage est dépouillé de la pièce une fois la résine durcie. Les différentes techniques de fabrication peuvent être soit classées comme des processus directs (par exemple. RTM, pultrusion, moulage par contact) qui utilisent des fibres séparées et de la résine réunies au point de moulage ou des procédés indirects qui utilisent des fibres pré-imprégnées de résine (par exemple. moulage sous vide / autoclave, moulage par compression).

Le choix du procédé de fabrication aura naturellement un grand effet sur la qualité, les propriétés mécaniques et le coût de fabrication du composant. Selon Potter (1996), un processus idéal peut être défini comme ayant:

1. Productivité élevée – temps de cycle courts, faible teneur en main-d’œuvre, etc.
2. Coût minimum des matériaux – matériaux à faible valeur ajoutée, faible coût de stockage et de manutention des matériaux
3. Flexibilité géométrique maximale – complexité de la forme et taille du composant
4. Flexibilité maximale des propriétés – Gamme de matrices, gamme de types de renforcement, capacité à contrôler les propriétés mécaniques et à adapter les caractéristiques
5. Exigences minimales de finition – fabrication de formes nettes
6. Fabrication fiable et de haute qualité – faibles taux de rejet, faible variabilité, etc.

Il n’existe aucun procédé de fabrication capable de répondre simultanément à toutes ces exigences; plus important encore, certaines de ces exigences peuvent s’exclure mutuellement. Une comparaison des 5 processus les plus courants est présentée ci-dessous.

Comparaison des Techniques de Fabrication des Composites (1)

Moulage par Contact

Schéma de Moulage par Contact (1)

C’est le procédé de fabrication le plus ancien et le plus primitif mais aussi le plus largement utilisé dans le monde. La résine de moulage en contact est appliquée manuellement sur un renfort sec placé sur une surface d’outil et peut être comparée au collage de papier peint avec une brosse. L’outil et le tissu sont ensuite enfermés dans un sac sous vide et l’air sous le sac retiré afin de durcir le stratifié sous pression atmosphérique. Cependant, comme la pression appliquée est relativement faible et que le durcissement se produit généralement à température ambiante, la fraction volumique de renfort est limitée à la densité naturelle de garnissage. En outre, la qualité dépend totalement de la compétence de la main-d’œuvre et en raison de la difficulté de garantir de manière fiable des stratifiés de haute qualité, il est presque impossible de qualifier des composants structurels moulés par contact pour les avions commerciaux. Enfin, en raison de la pression extérieure limitée, le vide est difficile à contrôler, ce qui a un grand effet sur la variabilité de l’épaisseur des stratifiés.

Navire renforcé en plastique HMS Wilton (2)

D’autre part, le processus est très flexible, idéal pour une production ponctuelle et nécessite une infrastructure minimale. Alors que le moulage par contact est un processus de choix pour les très grandes structures, la flexibilité géométrique est plus limitée en termes de création de pièces avec des détails fins, des rayons d’angle, etc. Pour cette raison, le procédé est largement utilisé dans la construction navale en fibre de verre / résine polyester et pour les planeurs.

Vac. Sac / Autoclave

Couche Préimprégnée pour le traitement en autoclave (1)

Dans les composites avancés, les procédés d’autoclave sont de loin les plus utilisés et le moulage en autoclave est le processus de choix pour l’industrie aérospatiale. Ces procédés utilisent des nappes unidirectionnelles pré-imprégnées ou des tissus tissés, qui ont été partiellement durcis ou bêta-étagés. Un inconvénient est que le pré-prég doit être conservé au congélateur afin d’éviter que la résine ne s’échappe. Plusieurs plis préimprégnés sont posés sur une surface d’outil avec les orientations de fibres prédéfinies, pour obtenir l’épaisseur requise, puis recouverts d’un film anti-adhésif, d’un tissu de reniflard et d’un sac sous vide ou d’un sac de pression en silicone. L’air est aspiré du sac pour créer un vide et l’outil est chauffé à température et pression élevées pour durcir la résine. En principe, plusieurs cycles de démoulage sont effectués en recouvrant le stratifié et en appliquant un vide après toutes les couches de 3 à 4 plis afin d’éliminer tout excès d’air entre les couches. Cela réduit le facteur d’encombrement et aide à éviter les délaminations entre les plis et contrôle la dimension de l’épaisseur. Des cycles de démoulage réguliers et une pression hydrostatique suffisante sur la pièce pendant le durcissement sont les deux exigences de base pour obtenir de bonnes moulures. La productivité du moulage en autoclave est généralement assez faible car les cycles de pose manuelle, d’ensachage et de démoulage consomment beaucoup de travail et de temps. De plus, les dépenses en capital des autoclaves sont abondantes, ce qui limite son utilisation à des structures plus grandes où ces dépenses sont justifiées. Étant donné que le pré-prég n’est plus dans un état à faible valeur ajoutée, les coûts des matériaux sont également plus élevés.

Sandwich en nid d’abeille avec Pré-prég pour le traitement en autoclave (1)

La flexibilité géométrique dans la forme et la taille est meilleure que pour la plupart des processus. Récemment, il a été possible de fabriquer tout le plancher d’un hélicoptère en une seule pièce, ce qui ne serait pas possible avec une approche métallique. Les moulures d’autoclave sont souvent utilisées en conjonction avec des noyaux en nid d’abeille de sorte que des composants très légers peuvent être fabriqués. C’est l’une des raisons pour lesquelles la domination des moulures d’autoclave semble très susceptible de se poursuivre dans un avenir proche, du moins dans l’environnement aérospatial.

Enroulement filamentaire

Schéma du processus d’enroulement filamentaire (1)

Dans l’enroulement filamentaire, un câble de fibres est passé dans un bain de résine et enroulé sur un mandrin tournant en traversant longitudinalement l’axe du mandrin tournant. À moins que des câbles de fibres préimprégnés collants ne soient utilisés, le chemin suivi par le câble doit suivre de près un chemin géodésique (chemins de fibres qui ne font pas glisser les fibres si elles sont tendues). Tout chemin hélicoïdal simple sur un cylindre est défini comme un chemin géodésique mais une fois que la courbure dans deux directions est introduite (par exemple un globe), le nombre de chemins possibles devient très limité. Pour cette raison, la flexibilité des propriétés est plutôt limitée, de sorte que l’enroulement filamentaire est généralement utilisé pour la fabrication de tuyauteries, de récipients sous pression et de moteurs de fusées. En particulier, les récipients sous pression sont propices à l’enroulement filamentaire car ils ont deux directions de contraintes clairement définies (la frette et les contraintes longitudinales) qui peuvent être accommodées par la direction d’enroulement.

Un inconvénient de l’enroulement filamentaire est que le mandrin est souvent enfermé dans l’enroulement. Si un revêtement en métal ou en polymère est utilisé comme mandrin, il peut former une partie permanente de la structure, mais il est plus courant que l’enroulement soit fendu aux extrémités pour démouler la pièce. La flexibilité géométrique est également contrainte par la nécessité de s’enrouler autour de moulures circulaires ou prismatiques. Un avantage majeur est que le processus se prête à l’automatisation de sorte que les temps de cycle et les coûts de main-d’œuvre peuvent être réduits avec une fiabilité et une qualité élevées. Ce dernier aspect est l’une des raisons pour lesquelles des efforts sont faits pour élargir les limites géométriques et les applications possibles du procédé.

Moulage par Transfert de résine (RTM)

Schéma du Procédé de Moulage par Transfert de Résine (1)

La RTM ne peut pas être considérée comme un procédé unique, mais plutôt comme une “philosophie de fabrication dans laquelle la résine et les fibres sont séparées jusqu’au dernier moment” (Potter, 1996). Cependant, toutes les variantes de procédé ont pour caractéristiques communes de maintenir les fibres non résinées à l’intérieur d’une cavité d’outil fermée avec une pression différentielle appliquée à un apport de résine de telle sorte que la résine pénètre dans le renfort. L’outil peut être rigide ou contenir des éléments flexibles. La pression de consolidation sur l’outil est appliquée au moyen de pinces mécaniques, d’une presse d’outillage ou de l’utilisation d’un vide interne et définit la fraction volumique de fibre obtenue par rapport à la résine. RTM est utilisé depuis les années 1970 pour construire des radomes ainsi que des aubes de compresseurs d’aéromoteurs. Le principal moteur du développement des processus RTM est de concevoir des méthodes de fabrication capables de surmonter les limitations de complexité géométrique imposées par les moulages en autoclave. En termes de cycles de productivité, les temps sont inférieurs à la plupart des autres processus et, dans l’industrie automobile, les petits composants sont fabriqués en quelques minutes.

Panneau automobile Fabriqué via RTM

Un avantage majeur de RTM est l’utilisation de matériaux à faible valeur ajoutée (fibres sèches et résines à faible viscosité) qui ne doivent pas être stockés dans des congélateurs, réduisant ainsi les coûts de matériaux et de manutention. Les principaux avantages de RTM résident cependant dans leur flexibilité géométrique et de propriété. RTM peut être utilisé avec des tissus cousus UD, des tissus tissés et des tissus 3D, et l’injection de résine peut être modifiée pour contrôler la fraction volumique et donc la rigidité et la résistance du composant. De plus, les petits composants avec des détails très fins sont fabriqués sur un outillage métallique rigide tandis que les plus grands composants peuvent être produits sur des moules flexibles. Enfin, avec un processus étroitement contrôlé, il est possible de créer des moulures en forme de filet avec des exigences de finition minimales. Cependant, tout cela se fait au prix d’une technique de production un peu plus délicate. Afin de garantir des composants de haute qualité, l’injection de résine et le débit de résine doivent être étroitement contrôlés de manière à ce que tous les renforts soient également mouillés. Cela nécessite des simulations de dynamique des fluides assez avancées et des tests approfondis afin de créer une forme de moule permettant un écoulement uniforme de la résine dans toutes les parties du composant.

Pultrusion

Schéma du processus de Pultrusion (1)

Dans ce procédé, les fibres sont extraites d’un panneau de creel et passées dans un bain de résine pour imprégner les fibres de résine. Les fibres imprégnées sont ensuite passées à travers une pré-filière pour éliminer tout excès de résine et préformer la forme finale approximative. On entre alors dans la matrice de durcissement qui prend la forme de la section finale requise de la pièce pultrudée. La matrice de durcissement applique de la chaleur au composant pour consolider la résine et le profil façonné durci est tiré de la matrice sous tension. Cela signifie que la productivité peut être très élevée dans une production en cours, mais diminuera pour des volumes de production plus faibles qui nécessitent des modifications de nouvelles matrices de section transversale. L’opération étant automatisée, les coûts de main-d’œuvre sont faibles et la fiabilité et la qualité des composants sont élevées. Le procédé est généralement limité à des composants à section constante, ce qui limite considérablement les applications. La pultrusion a été très peu utilisée dans les environnements aérospatiaux, mais a trouvé une application dans la fabrication de poutres à profil standardisé pour les structures de génie civil.

Processus automatisés

L’utilisation de la robotique dans la fabrication de composites se développe rapidement et constitue probablement la technologie la plus prometteuse pour l’avenir. Les avantages évidents de l’automatisation du processus de fabrication incluent une variabilité réduite des dimensions et moins de défauts de fabrication. En outre, la matière première peut être utilisée plus efficacement et les coûts de main-d’œuvre sont réduits. Une classe prometteuse de systèmes sont les machines dites de Placement automatisé des fibres (AFP) qui utilisent une tête de placement robotisée des fibres qui dépose plusieurs câbles pré-imprégnés de “ruban à fente” permettant de couper, de serrer et de redémarrer chaque câble. Alors que la tête robotisée suit un trajet spécifique des fibres, les câbles sont chauffés peu de temps avant le dépôt, puis compactés sur le substrat à l’aide d’un rouleau spécial. Grâce à la haute fidélité de la technologie robotisée actuelle, les machines AFP peuvent fournir une productivité élevée et gérer des géométries complexes. Les applications actuelles incluent la fabrication du fuselage du Boeing 787 et l’enroulement de boîtes carrées, qui sont ensuite fendues dans le sens de la longueur pour former deux sections en “C” pour les longerons d’aile. Les systèmes de fabrication intégrés conçus par des entreprises comme ElectroImpact offrent des capacités clés en main intéressantes pour les futures structures d’avions. Ces systèmes combinent plusieurs processus de fabrication, par exemple le placement de fibres et la fabrication additive sur une seule tête de robot, et facilitent donc la production de structures mélangées et intégrées avec moins de joints et de connexions. Ces systèmes permettront également aux ingénieurs de concevoir des structures plus efficaces, telles que des panneaux composites en orthogrille intégrée ou en isogrille, qui sont actuellement difficiles à fabriquer économiquement à grande échelle.

Fuselage de Boeing 787 enroulé par filament (3)