L’utilisation croissante de matériaux composites à matrice polymérique dans divers secteurs industriels, notamment l’aéronautique, est indéniable. Ces matériaux offrent de nombreux avantages, tels que de meilleures propriétés mécaniques en termes de rigidité, tout en permettant des économies significatives de poids par rapport aux matériaux métalliques conventionnels. Cependant, leur utilisation reste limitée en raison des coûts élevés de fabrication, en particulier pour les structures géométriquement complexes qui nécessitent des procédés coûteux tels que l’autoclave. Face à une demande croissante sur le marché, il est donc essentiel de développer des techniques de fabrication rapides et économiques pour les grandes séries de production.
Le moulage par compression : une solution pour les composites thermoplastiques
Le moulage par compression est une méthode largement utilisée pour la mise en forme de composites thermoplastiques. Cette technique présente de nombreux avantages : elle est économique, facile à installer et à adapter, car elle peut être réalisée à l’aide d’équipements de transformation du métal. De plus, le cycle de production est relativement court, garantissant une meilleure tolérance d’épaisseur et la possibilité de fabriquer des pièces tridimensionnelles complexes. Ce procédé se divise en deux étapes clés : le chauffage et le refroidissement. Afin de réduire les coûts énergétiques, il est crucial de contrôler de manière optimale l’étape de chauffage en fonction des géométries des pièces à fabriquer. Autrement dit, il est nécessaire d’étudier de manière paramétrique la puissance de chauffage en identifiant les paramètres influents grâce à des outils de simulation numérique. En effet, la puissance de chauffage multipliée par la durée de chauffage et le tarif de consommation d’électricité détermine le coût de l’énergie.
Des défis à relever pour une estimation précise de la puissance de chauffage
Les recherches antérieures ont montré que l’estimation de la puissance de chauffage des pièces en composites se base sur des approximations rudimentaires, conduisant à des résultats inexacts et imprécis (Akermo et Astrom, 2000). Des auteurs comme Haffner (2002) estiment le coût de chauffage en se basant sur des taux massiques dépendant du type de matériau et de l’équipement utilisé, sans tenir compte de la puissance de chauffage, qu’ils présument être négligeable par rapport aux autres éléments du coût de fabrication.
Une solution prometteuse : le modèle numérique tridimensionnel
En 2016, M. El Wazziki a développé un modèle numérique tridimensionnel pour estimer la puissance de chauffage des pièces en composite thermoplastique fabriquées par moulage par compression. Ce modèle permet d’estimer la puissance de chauffage en fonction du volume de la pièce, grâce à une simulation numérique du cycle thermique du procédé. Les résultats ont démontré que le profil de la puissance thermique est linéaire. Cependant, cette méthodologie est limitée aux dimensions du moule qui sont deux fois plus grandes. Ainsi, pour des pièces avec des géométries supérieures, le profil de puissance thermique est ignoré.
Vers une étude paramétrique plus approfondie
Dans ce cadre, un mémoire a été réalisé pour réaliser une étude paramétrique de la puissance de chauffage des pièces structurales aéronautiques en composite thermoplastique fabriquées par moulage par compression. Cette étude s’est focalisée sur deux procédés de moulage : l’utilisation d’imprégnés de fibres courtes d’orientation aléatoire (ROS) pour la production de trois types de pièces, et l’utilisation de feuilles imprégnées de fibres continus unidirectionnels (UD) pour la fabrication d’une pièce concave.
Les matériaux composites : un aperçu
Les matériaux composites sont définis comme une combinaison d’au moins deux composants ayant des phases chimiques différentes pour produire un matériau offrant des propriétés mécaniques différentes de celles des composants individuels initiaux. Ils sont généralement composés de renforts et de matrices.
- Renfort : assure la résistance et la rigidité du matériau. Les fibres sont les renforts les plus utilisés, notamment les fibres de verre (utilisées dans 95% des composites), les fibres de carbone, les fibres naturelles et les fibres d’aramides.
- Matrice : assure la répartition et la cohésion des contraintes dans tout le matériau composite, en protégeant les fibres des dommages extérieurs.
Les fibres améliorent les propriétés mécaniques du composite. Les fibres continues apportent les meilleures améliorations en termes de rigidité et de résistance, et peuvent prendre différentes formes (unidirectionnelles, bidirectionnelles, etc.). Dans cette étude, nous nous intéressons exclusivement aux composites à matrice polymère renforcés par des fibres de carbone (CF/PEEK).
L’importance du procédé de fabrication
Les caractéristiques mécaniques et thermiques des pièces en composites dépendent non seulement des constituants du matériau, mais également du procédé de fabrication, des conditions d’utilisation, du volume de production et de la géométrie de la pièce (El Wazziki, 2016). Différentes méthodes de fabrication des composites existent, telles que le moulage par injection, le moulage par compression, le moulage au contact, l’enroulement filamentaire, l’enroulement par drapages, l’infusion et le RTM (Resin Transfer Molding). Dans cette étude, nous nous concentrons sur le moulage par compression.
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