La fabrication de composants composites peut être réalisée de différentes manières. Certaines méthodes ont été empruntées à l’industrie plastique, comme la moulée par injection, par exemple. Cependant, de nombreuses méthodes ont été développées pour répondre à des défis spécifiques de conception ou de fabrication rencontrés avec les polymères renforcés de fibres. Le choix d’une méthode pour une pièce particulière dépendra donc des matériaux, de la conception de la pièce et de son utilisation finale ou de son application.
Prérequis pour la conception de pièces
Le processus de fabrication de composites implique généralement une forme de moulage pour façonner la résine et le renforcement. Un outil de moulage est nécessaire pour donner à la combinaison résine/fibre non formée sa forme avant et pendant la polymérisation.
La méthode de base : le layup manuel
La méthode de fabrication la plus basique pour les composites thermodurcissables est le layup manuel, qui consiste généralement à placer des couches, appelées plis, de tissus secs ou de préimprégnés (tissu pré-imprégné de résine), à la main sur un outil pour former un empilement stratifié. La résine est appliquée sur les plis secs après la fin du layup (par exemple, par infusion de résine). Dans une variante appelée “wet layup”, chaque pli est enduit de résine et compacté après avoir été placé. Bien que la compaction puisse être effectuée à la main avec des rouleaux, la plupart des fabricants utilisent aujourd’hui une technique de mise sous vide qui consiste à placer des feuilles en plastique sur le layup, à les sceller aux bords de l’outil, à ajouter un ou plusieurs ports pour les tuyaux d’air, puis à évacuer l’air de l’espace entre les feuilles et le layup à l’aide d’une pompe à vide. La consolidation non seulement consolide le layup, mais élimine également l’air emprisonné dans la matrice de résine qui créerait autrement des vides indésirables (poche d’air) dans le stratifié qui pourraient affaiblir le composite.
Méthodes de polymérisation disponibles
Plusieurs méthodes de polymérisation sont disponibles. La plus basique consiste simplement à permettre la polymérisation (initiée par un catalyseur ou un durcisseur ajouté préalablement à la résine) à température ambiante. Cependant, la polymérisation peut être accélérée en appliquant de la chaleur, généralement avec un four, et de la pression, au moyen d’un vide. Dans ce dernier cas, un sac à vide, avec des assemblages de respiration, est placé sur le layup et fixé à l’outil (de manière similaire à celle utilisée lors de la consolidation), puis un vide est créé avant le début de la polymérisation. Le processus de mise sous vide de la résine ici consolide davantage les plis de matériau et réduit significativement les vides dus à la dégazage qui se produit lorsque la matrice progresse à travers ses étapes de polymérisation chimique.
Pression et chaleur
De nombreuses pièces thermodurcissables haute performance nécessitent une chaleur et une pression élevées pour durcir – des conditions qui nécessitent l’utilisation d’un autoclave. Les autoclaves sont généralement coûteux à acheter et à exploiter. Les fabricants équipés d’autoclaves polymérisent généralement plusieurs pièces simultanément. Les systèmes informatiques surveillent et contrôlent la température, la pression, le vide et l’atmosphère inerte de l’autoclave, ce qui permet une supervision non surveillée et/ou à distance du processus de polymérisation et maximise l’utilisation efficace de la technique.
Chaleur et suivi
Lorsque la chaleur est nécessaire pour la polymérisation, la température de la pièce est augmentée progressivement par petits incréments, maintenue au niveau de polymérisation pendant une période spécifique définie par le système de résine, puis ramenée à la température ambiante afin d’éviter toute déformation ou déformation de la pièce causée par une expansion et une contraction inégales. Lorsque ce cycle de polymérisation est terminé et après le démoulage des pièces, certaines pièces subissent une post-polymérisation autonome, pendant laquelle elles sont soumises pendant une période spécifique à une température supérieure à celle de la polymérisation initiale afin d’améliorer la densité de réticulation chimique.
Méthodes de polymérisation alternatives
La polymérisation par faisceau d’électrons (E-beam) a été explorée comme une méthode efficace de polymérisation pour les stratifiés minces. Dans la polymérisation par faisceau d’électrons, le layup composite est exposé à un flux d’électrons qui fournissent une radiation ionisante, provoquant la polymérisation et la réticulation des résines sensibles à la radiation. Les technologies de polymérisation par rayons X et par micro-ondes fonctionnent de la même manière. Une quatrième alternative, la polymérisation aux ultraviolets (UV), consiste à utiliser du rayonnement UV pour activer un photo-initiateur ajouté à une résine thermodurcissable, qui, une fois activé, déclenche une réaction de réticulation. La polymérisation aux UV nécessite une résine et des renforts perméables à la lumière.
Surveillance de la polymérisation
Une technologie émergente est la surveillance de la polymérisation elle-même. Les moniteurs de polymérisation diélectriques mesurent le degré de polymérisation en mesurant la conductivité des ions – de petites impuretés polarisées relativement insignifiantes qui sont présentes dans les résines. Les ions ont tendance à migrer vers une électrode de polarité opposée, mais la vitesse de migration est limitée par la viscosité de la résine – plus la viscosité est élevée, plus la vitesse est lente. Avec l’avancement de la réticulation pendant la polymérisation, la viscosité de la résine augmente. D’autres méthodes comprennent la surveillance de la réticulation des résines, la surveillance de la micro-tension produite par la réticulation, la surveillance de la réaction exothermique dans le polymère pendant la polymérisation et, potentiellement, l’utilisation de la surveillance infrarouge via la technologie des fibres optiques.
La polymérisation hors autoclave (OOA)
La polymérisation hors autoclave (OOA) est un phénomène notable qui gagne du terrain dans l’industrie des composants composites haute performance. Le coût élevé et la taille limitée des systèmes d’autoclaves ont incité de nombreux fabricants, en particulier dans le secteur aérospatial, à demander des résines OOA qui peuvent être durcies avec de la chaleur uniquement dans un four (moins coûteux en capital et moins cher à exploiter qu’un autoclave, en particulier pour les pièces très grandes), ou à température ambiante. Cytec Aerospace Materials (maintenant Solvay Composite Materials) a introduit la première résine OOA, une résine époxy conçue pour les applications aérospatiales. Des époxytooling et des adhésifs OOA sont également en cours de mise sur le marché.
Moulage ouvert
Le moulage par contact ouvert dans des moules d’un côté est un processus courant et peu coûteux pour la fabrication de produits composites en fibre de verre. Il est généralement utilisé pour les coques de bateaux, les composants de véhicules récréatifs, les cabines et les ailes de camions, les spas, les baignoires, les cabines de douche et autres formes relativement grandes et non complexes. Le moulage ouvert implique soit un layup manuel, soit une alternative semi-automatisée, le sprayup.
Dans une application de sprayup de moule ouvert, le moule est d’abord traité avec un agent de démoulage. Si un gel coat est utilisé, il est généralement pulvérisé dans le moule après l’application de l’agent de démoulage. Le gel coat est ensuite durci et le moule est prêt pour la fabrication. Dans le processus de sprayup, de la résine catalysée (viscosité de 500 à 1 000 cps) et de la fibre de verre sont pulvérisées dans le moule à l’aide d’un fusil à mèche, qui coupe les fibres continues en petites longueurs, puis souffle les fibres courtes directement dans le flux de résine pulvérisée, de sorte que les deux matériaux sont appliqués simultanément. Pour réduire les COV, des pistolets de pulvérisation activés par pompe à piston et ne pulvérisant pas d’atomisation et des têtes de pulvérisation à impingement de fluide distribuent des gel coats et, après la polymérisation du gel coat, des résines sous forme de plus grosses gouttes à basse pression. Une autre option est un impregnateur à rouleaux, qui pompe la résine dans un rouleau similaire à un rouleau de peinture.
Dans les dernières étapes du processus de sprayup, les ouvriers compactent le stratifié à la main avec des rouleaux. Du bois, de la mousse ou un autre matériau central peut ensuite être ajouté, et une deuxième couche de sprayup intègre le noyau entre les peaux de stratifié. La pièce est ensuite durcie, refroidie et retirée du moule généralement réutilisable. Le layup manuel et les méthodes de sprayup sont souvent utilisés en tandem pour réduire la main-d’œuvre. Par exemple, le tissu peut d’abord être placé dans une zone exposée à des contraintes élevées, puis un pistolet de pulvérisation peut être utilisé pour appliquer le verre coupé et la résine pour construire le reste du stratifié. Des noyaux en balsa ou en mousse peuvent être insérés entre les couches de stratifié dans l’un ou l’autre des processus. Le volume typique de fibre de verre est de 15% avec le sprayup et de 25% avec le layup manuel.
Le traitement par sprayup, autrefois une méthode de fabrication très répandue, a commencé à perdre de sa popularité. Les réglementations fédérales aux États-Unis et des règles similaires dans l’UE ont imposé des limites à l’exposition des travailleurs et aux émissions de COV et de polluants atmosphériques dangereux (HAP). Le styrène, le monomère le plus couramment utilisé comme diluant dans les résines thermodurcissables, figure sur les deux listes. Étant donné que l’exposition des travailleurs au styrène et les émissions de styrène sont difficiles et coûteuses à contrôler dans le processus de sprayup, de nombreux fabricants de composites sont passés à des processus de moulage fermés basés sur l’infusion, qui contiennent et gèrent mieux le styrène.
Bien que le layup manuel via le sprayup soit remplacé par des méthodes plus rapides et plus précises sur le plan technique (comme cela est clair ci-dessous), il est encore largement utilisé dans la réparation de pièces endommagées, y compris celles fabriquées à partir d’autres matériaux couramment utilisés, comme l’acier et le béton. Pour plus d’informations, cliquez sur “Composites for repair”.
Les procédés d’infusion de résine
La demande croissante de taux de production plus rapides a poussé l’industrie à remplacer le layup manuel par des procédés de fabrication alternatifs et a encouragé les fabricants à automatiser ces processus autant que possible.
Une alternative courante est le moulage par transfert de résine (RTM), parfois appelé moulage liquide. Le RTM est un processus assez simple : il commence par un moule fermé bidirectionnel, constitué soit de métal, soit de matériau composite. Un renfort sec (généralement une préforme) est placé dans le moule et le moule est refermé. La résine et le catalyseur sont dosés et mélangés dans un équipement de distribution, puis pompés dans le moule sous basse pression à travers des orifices d’injection, suivant des chemins prédéfinis à travers la préforme. Une résine à très faible viscosité est utilisée dans les applications de moulage par transfert de résine, en particulier avec des pièces épaisses, pour garantir que la résine pénètre rapidement et complètement dans la préforme avant le début de la polymérisation. La résine et le moule peuvent être préchauffés, si nécessaire, pour des applications spécifiques.
Le RTM produit des pièces de haute qualité sans la nécessité d’un autoclave. Cependant, lorsqu’elle est polymérisée et démoulée, une pièce destinée à une application à haute température subit généralement une post-polymérisation.
La plupart des applications de RTM utilisent une formulation époxy à deux composants. Les deux parties sont mélangées juste avant l’injection. Les résines bismaléimide et polyimide sont également disponibles en formulations RTM.
Le RTM léger est une variante du RTM qui gagne en popularité. Dans le RTM léger, une faible pression d’injection, associée à une aspiration, permet d’utiliser des moules à deux parties légers et moins coûteux ou un moule supérieur très léger et flexible.
Les avantages du RTM sont impressionnants. En général, les préformes et les résines utilisées dans le RTM sont moins chères que les matériaux préimprégnés et peuvent être stockées à température ambiante. Le processus peut produire des pièces épaisses, de forme quasi-nette, éliminant ainsi la plupart des travaux de post-fabrication. Il permet également d’obtenir des pièces complexes et dimensionnellement précises avec de bons détails de surface et, contrairement aux techniques de moulage ouvert, qui donnent généralement une pièce contourée mais plane avec des faces A et B (surfaces finies et non finies, respectivement), le RTM peut offrir une finition esthétique souhaitée sur toutes les surfaces exposées de composants complexes tridimensionnels. Il est également possible de placer des inserts à l’intérieur de la préforme avant la fermeture du moule, ce qui permet au processus de RTM d’accueillir des matériaux de base et d’intégrer des raccords “moulés en place” et d’autres éléments de quincaillerie dans la structure de la pièce. De plus, la teneur en vides des pièces RTM est faible, mesurée à ≤ 2 %. Enfin, le RTM réduit considérablement les temps de cycle et peut être adapté à une utilisation en tant qu’étape d’une fabrication automatisée et reproductible pour une efficacité accrue, réduisant le temps de cycle, qui peut être de plusieurs jours lors du layup manuel, à quelques heures, voire quelques minutes.
Une variante récente de RTM, appelée RTM haute pression (HP-RTM), attire l’attention pour sa capacité à produire rapidement des pièces automobiles. Habituellement intégrée dans un système entièrement automatisé qui comprend des navettes de moules, la capacité de l’HP-RTM à remplir rapidement un moule chargé d’une préforme avec une résine à durcissement très rapide montre des promesses en matière de production élevée. L’HP-RTM comprend toujours une préforme en fibres, un moule fermé, une presse et un système d’injection de résine, mais ce dernier est maintenant une tête de mélange d’impact, similaire à celle utilisée pour les applications de mousse en polyuréthane (PU) dans les années 1960. En fait, les fournisseurs de dosage/mélange/injection pour les procédés de mousse en PU et de moulage par injection réactionnelle (RIM, voir le prochain article) ont été parmi les premiers développeurs de HP-RTM, dont KraussMaffei Technologies GmbH (Munich, Allemagne), Hennecke Inc. (Sankt Augustin, Allemagne), Frimo Inc. (Lotte, Allemagne), Cannon USA Inc. et Cannon SpA (Cranberry Township, PA, États-Unis et Bormé, Italie).
Contrairement au RTM, où la résine et le catalyseur sont pré-mélangés avant l’injection sous pression dans le moule, le moulage par injection-réaction (RIM) injecte une résine de polymérisation rapide et un catalyseur dans le moule en deux flux séparés. Le mélange, et la réaction chimique résultante, se produisent dans le moule plutôt que dans une tête de distribution. Les fournisseurs de l’industrie automobile ont combiné le RIM structural (SRIM) avec des méthodes de préformation rapide pour fabriquer des pièces structurelles qui ne nécessitent pas de finition de Classe A. Des robots programmables sont devenus un moyen courant de pulvériser une combinaison de fibre de verre hachée et de liant sur un écran de préforme équipé d’un vide ou un moule. La pulvérisation robotisée peut être dirigée pour contrôler l’orientation des fibres. Une autre technologie connexe, le placement de fibres sèches, combine des préformes cousues et le RTM. Des volumes de fibres allant jusqu’à 68 % sont possibles, et des commandes automatisées garantissent un faible taux de vides et une reproduction constante des préformes, sans besoin de coupe.
Le “moulage par infusion assistée par vide” (VARTM) fait référence à une variété de procédés connexes qui représentent une technologie de moulage en pleine croissance. La différence saillante entre les procédés de type VARTM et le RTM est que, dans les procédés de type VARTM, la résine est aspirée dans une préforme grâce à l’utilisation d’un vide seulement, plutôt que d’être pompée sous pression. Le VARTM ne nécessite ni chaleur ni pression élevées. Pour cette raison, le VARTM fonctionne avec des outillages peu coûteux, ce qui permet de produire à moindre coût de grandes pièces complexes en une seule étape.
Dans le processus de VARTM, les renforts en fibres sont placés dans un moule d’un seul côté, et une couverture (généralement un film d’ensachage en plastique) est placée par-dessus pour former un joint étanche au vide. La résine pénètre généralement dans la structure par l’intermédiaire de ports d’entrée et de lignes d’alimentation stratégiquement placés, appelés “collecteur”. Elle est aspirée par le vide à travers les renforts grâce à une série de canaux conçus pour faciliter l’impregnation des fibres. La teneur en fibres dans la pièce finie peut atteindre 70 %. Les applications actuelles comprennent des pièces marines, de transport terrestre et d’infrastructure.
L’infusion de résine a trouvé une application significative dans la construction de bateaux, car elle permet aux fabricants d’infuser des coques entières, des structures de ponts et des pièces contournées planes en une seule étape. Cependant, des structures aérospatiales, un autre groupe de pièces souvent de grande taille, sont également en cours de développement à l’aide de la technologie VARTM.
Un twist pour l’infusion de résine est l’utilisation de deux sacs, appelée “infusion en double sac”, qui utilise une pompe à vide attachée au sac intérieur pour extraire les solvants volatils et l’air piégé, et une deuxième pompe à vide sur le sac extérieur pour compacter le stratifié. Cette méthode a été utilisée par Boeing Co. et la NASA, ainsi que par de petites entreprises de fabrication, pour produire des stratifiés de qualité aérospatiale sans autoclave. La qualité aérospatiale a également été obtenue dans le développement d’une aile CFRP hors autoclave (OOA) pour le jetliner monocouloir MS-21 produit par le fabricant russe Irkut et Aerocomposit, tous deux basés à Moscou. Une étape clé a été le développement primé par FACC AG d’un longeron en CFRP intégral utilisant leur processus d’infusion assistée par membrane (MARI), qui utilise une membrane semi-perméable pour permettre un processus fiable et robuste offrant une imprégnation à 100% (aucun point sec ni vides). L’infusion OOA a également été démontrée sur des outillages et des structures de grande taille pour le programme Space Launch System (SLS) de la NASA en utilisant des résines époxy et bismaléimides (BMI), et des travaux similaires avec des résines benzoxazine sont en cours.
La polymérisation du film de résine (RFI) est un procédé hybride dans lequel une préforme sèche est placée dans un moule sur le dessus d’une couche, ou intercalée entre plusieurs couches, de film de résine à viscosité élevée. Sous l’effet de la chaleur, du vide et de la pression appliqués, la résine se liquéfie et pénètre dans la préforme, ce qui permet une distribution uniforme de la résine, même avec des résines à viscosité élevée et durcies, grâce à la faible distance de déplacement.
Méthodes de moulage grande série
Le moulage par compression est un processus de moulage thermoplastique de grande série utilisant des matrices métalliques coûteuses mais très durables. C’est un choix approprié lorsque les quantités de production dépassent 10 000 pièces. Jusqu’à 200 000 pièces peuvent être produites sur un ensemble de matrices en acier forgé, en utilisant un composé de feuille moulé (SMC), un matériau de feuille composite fabriqué en sandwichant des fibres de verre hachées entre deux couches d’une pâte de résine épaisse. Pour former la feuille, la pâte de résine est transférée depuis un dispositif de dosage sur un support de film mobile. Les fibres de verre hachées tombent sur la pâte, et un deuxième support en film place une autre couche de résine sur le dessus du verre. Des rouleaux compactent la feuille pour saturer le verre de résine et éliminer l’air emprisonné. La pâte de résine est initialement de consistance similaire à celle de la mélasse (20 000 à 40 000 cps) ; au cours des trois à cinq jours suivants, sa viscosité augmente et la feuille devient cuir (environ 25 millions de cps), idéale pour la manipulation.
Lorsque le SMC est prêt à être moulé, il est découpé en petites feuilles et le modèle de charge (ordre de couches) est assemblé sur un moule chauffé (121°C à 262°C). Le moule est refermé et serré, et une pression est appliquée à 24,5 à 172,4 bars. À mesure que la viscosité du matériau diminue, le SMC s’écoule pour remplir la cavité du moule. Après la polymérisation et le démoulage, la pièce ne nécessite qu’un minimum de finition. Les vitesses d’injection sont généralement d’une à cinq secondes, et jusqu’à 2 000 petites pièces peuvent être produites par heure dans des moules à plusieurs cavités.
Des pièces dont la section transversale est épaisse peuvent être moulées par compression ou transférées avec du SMC. Le moulage par transfert est un processus fermé dans lequel une charge mesurée de SMC est placée dans un pot avec des conduits d’alimentation qui mènent aux cavités du moule. Un piston force le matériau dans les cavités, où le produit durcit sous l’effet de la chaleur et de la pression.
L’injection de BMC est devenue la norme pour les applications de moulage en plastique renforcé de fibres de verre. Elle a remplacé sur certains marchés les fabricants de pièces moulées auparavant réalisées en plastique thermoplastique ou en métal. Par exemple, les premières vannes de commande électroniques (ETC) basées sur du BMC (auparavant moulées uniquement à partir d’aluminium moulé sous pression) sont apparues sur les moteurs de la BMW Mini et de la Peugeot 207, en profitant de la stabilité dimensionnelle offerte par un BMC formulé spécifiquement fourni par TetraDUR GmbH (Hambourg, Allemagne), une filiale de Bulk Molding Compounds Inc. (BMCI, West Chicago, IL, États-Unis).
Dans le processus de moulage par injection de BMC, un piston de type ram ou vis force une charge mesurée de matériau à travers un cylindre chauffé et l’injecte (à 34,47-82,74 MPa) dans un moule fermé et chauffé. Dans le moule, le BMC liquéfié s’écoule facilement le long des canaux d’injection et dans le moule fermé. Après durcissement et démoulage, les pièces nécessitent seulement une finition minimale. Les vitesses d’injection sont généralement de une à cinq secondes, et autant que 2 000 petites pièces peuvent être produites par heure dans certains moules à cavités multiples.
Des pièces à sections épaisses peuvent être moulées par compression ou transférées avec du BMC. Le moulage par transfert est un processus fermé dans lequel une charge mesurée de BMC est placée dans un pot avec des conduits d’injection qui mènent aux cavités du moule. Un piston force le matériau dans les cavités, où le produit durcit sous l’effet de la chaleur et de la pression.
Fabrication de thermoplastiques par enroulement filamentaire
L’enroulement filamentaire est une méthode de fabrication continue qui peut être hautement automatisée et reproductible, avec des coûts de matériau relativement bas. Un outil long et cylindrique appelé mandrin est suspendu horizontalement entre des supports d’extrémité, tandis que la “tête” – l’instrument d’application des fibres – se déplace d’avant en arrière le long de la longueur d’un mandrin rotatif, déposant les fibres sur l’outil selon une configuration prédéfinie. Des machines contrôlées par ordinateur avec de 2 à 12 axes de mouvement sont disponibles.
Dans la plupart des applications à base de thermodurcissables, l’appareil d’enroulement filamentaire fait passer le matériau fibreux à travers un “bain” de résine juste avant que le matériau ne touche le mandrin. Cela s’appelle l’enroulement mouillé. Cependant, une variante utilise du pré-imprégné, c’est-à-dire des fibres continues pré-imprégnées de résine. Cela élimine le besoin d’un bain de résine sur place. Dans un processus légèrement différent, les fibres sont enroulées sans résine (enroulement à sec). La forme sèche est ensuite utilisée comme préforme dans un autre processus de moulage, comme le RTM.
Après le durcissement au four ou en autoclave, le mandrin soit reste en place pour faire partie du composant enroulé soit, généralement, il est retiré. Les mandrins d’une seule pièce, cylindriques ou coniques, généralement de forme simple, sont retirés de la pièce à l’aide d’un équipement d’extraction de mandrins. Certains mandrins, en particulier dans les pièces plus complexes, sont fabriqués à partir de matériau soluble et peuvent être dissous et lavés de la pièce. D’autres sont pliables ou sont construits à partir de plusieurs pièces qui permettent leur démontage et leur retrait en plusieurs morceaux plus petits. Les fabricants d’enroulement filamentaire “optimisent” souvent ou modifient légèrement la résine disponible dans le commerce pour répondre aux exigences spécifiques de l’application. Certains fabricants de pièces composites développent leurs propres formulations de résine.
Dans les enroulements thermoplastiques, tout le matériau est sous forme de préimprégné, donc aucun bain de résine n’est nécessaire. Le matériau est chauffé lorsqu’il est enroulé sur le mandrin – un processus connu sous le nom de “durcissement en cours” ou “consolidation in situ”. Le préimprégné est chauffé, déposé, compacté, consolidé et refroidi en une seule opération continue. Les préimprégnés thermoplastiques éliminent la cuisson en autoclave (réduisant les coûts et les limitations de taille) et réduisent les coûts des matières premières. Les pièces obtenues peuvent être retraitées pour corriger les défauts.
L’enroulement filamentaire permet d’obtenir des pièces avec une résistance circonférentielle ou “en cercle” exceptionnelle. La principale application en volume unique de l’enroulement filamentaire est la fabrication d’arbres de clubs de golf. La plupart des autres utilisations sont des tiges, des tuyaux, des cylindres sous pression et d’autres pièces cylindriques.
Pultrusion
La pultrusion, comme le RTM, est utilisée depuis des décennies avec des
