Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
De nos jours, les technologies de fabrication et des matériaux constitutifs des composites sont multiples. Au moment du choix, le concepteur doit allier un grand nombre de critères, qualité des pièces obtenues, cadence de production, rentabilité économique, auxquels il faut ajouter la complexité des phénomènes physiques et chimiques mis en jeu dans le cadre du moulage des composites avancés. Dans ce contexte, les outils de calcul sont devenus des instruments nécessaires dans la chaîne de conception-fabrication de ces composites. Cet article présente des relations physiques simples ayant un intérêt pratique pour l’estimation de grandeurs telles que des pressions de résine et des temps d’injection. Plusieurs exemples d’utilisation de la physique du moulage des composites avancés ont été choisis pour illustrer ces approches.
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Christophe BINÉTRUY : Professeur au département Technologie des polymères et composites et Ingénierie Mécanique de l’École des Mines de Douai - Responsable du groupe Composites
INTRODUCTION
La multiplicité des technologies de fabrication et des matériaux constitutifs des composites offre de nombreuses possibilités aux concepteurs, mais parallèlement elle peut compliquer le travail de sélection et de mise au point des procédés de fabrication.
Le choix d’une technologie est un enjeu technico-économique qui doit s’effectuer en fonction du type et du nombre de pièces à réaliser, de la cadence de production, des investissements à prévoir... Il existe en fait beaucoup de critères à prendre en compte qui rendent la sélection du procédé adapté assez délicate. Par ailleurs, les phénomènes physiques et chimiques mis en jeu dans le cadre du moulage des composites avancés sont complexes et, de surcroît, couplés ce qui ajoute un degré supplémentaire de complexité (cf. dossier ).
Ainsi, définir la technologie qui permettra de satisfaire au mieux l’ensemble de ces exigences n’est pas toujours facile. Par ailleurs, une fois le choix effectué, il convient d’optimiser les paramètres de fabrication. Des essais répétés sur des prototypes permettent de préciser la valeur de ces paramètres et de déterminer la meilleure stratégie. Cette solution, longue à mettre en place et à conduire jusqu’à son terme, présente aussi l’inconvénient d’être coûteuse, car une modification d’un des éléments du cahier des charges peut remettre en question les choix initiaux.
Face à la complexité croissante des applications et à la réduction des temps de développement, l’empirisme doit céder la place à des méthodes plus rationnelles, plus rapides et plus sûres. Dans ce contexte technico-économique, les outils de calcul décrivant la fabrication des composites en relation avec la conception des pièces deviennent des instruments nécessaires dans la chaîne de conception-fabrication et participent au développement et au déploiement des technologies dans le monde industriel.
L’objet de ce dossier est de présenter des relations simples découlant des grands principes physiques décrits dans le dossier et qui ont un intérêt pratique pour l’estimation de grandeurs telles que des pressions de résine et des temps d’injection. Afin d’illustrer le potentiel de cette modélisation, plusieurs exemples d’utilisation de la physique du moulage des composites avancés sont décrits dans le cas de pièces industrielles complexes.
La dénomination « composite avancé » fait référence aux matériaux élaborés à partir de résine thermodurcissable (polyester, vinylester, époxyde,...) et de fibres continues (verre, carbone, aramide,...) qui constituent le squelette de la structure.
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- Version courante de déc. 2021 par Christophe BINETRUY
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Écoulement de résine liquide dans un renfort stationnaire : injection RTM1. Consolidation d’un renfort imprégné de résine liquide
1.1 Moulage à l’autoclave
Le moulage en autoclave est un procédé de fabrication en petite série des composites structuraux. Le principe consiste à compacter des préimprégnés sur un moule rigide par l’intermédiaire d’une membrane déformable formant avec l’outillage une poche étanche (figure 1). Le vide est appliqué dans le sac étanche et une pression est appliquée sur la membrane par l’intermédiaire d’un gaz (air, azote). L’ensemble est chauffé pour réduire la viscosité des résines et permettre leur polymérisation. Le lecteur pourra se reporter au dossier pour plus de détails concernant cette technologie.
La consolidation et la cuisson sont les deux étapes cruciales du moulage autoclave. Des profils de pression et de température inadaptés peuvent conduire à :
-
une polymérisation hétérogène ;
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la dégradation de la résine ;
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des gauchissements de pièce ;
-
des taux de fibres trop faibles ;
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des épaisseurs non respectées ;
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des porosités abondantes.
Au cours du moulage en autoclave, la pression est appliquée au cours du cycle sur une longue période pour assurer la consolidation du composite. La pression imposée se répartit simultanément sur le réseau fibreux et la résine (équation (39), ). La contrainte supportée par la résine la force à s’écouler hors du préimprégné dans la direction normale aux surfaces du moule. La vitesse d’écoulement dépend alors de la viscosité de la résine et de la perméabilité du milieu fibreux. Au cours du procédé, la fraction volumique de fibre augmente et la perméabilité du renfort diminue. Le réseau de fibres se comporte comme un ressort non-linéaire qui supporte de plus en plus la pression de consolidation réduisant ainsi la part s’appliquant sur la résine.
La modélisation du procédé fournit une aide à l’ingénieur de fabrication pour comprendre comment la pression et la température influencent la qualité du composite obtenu au travers du mouvement combiné de la résine et du renfort fibreux (tableau 1). Un exemple de modèle simplifié isotherme est détaillé.
Les pièces fabriquées...
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Consolidation d’un renfort imprégné de résine liquide
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BINÉTRUY (C.), LACRAMPE (M.F.), KRAWCZAK (P.), PICCIRELLI (N.) - Flow simulation of an automotive resin transfer molded complex shape parts made with performed heavy tow carbon fabrics : Comparison with experimental results. - EUROPAM 2002, Antibes, Juan-les-Pins, p. 265-283, 21-22 oct. 2002.
-
(2) - BINÉTRUY (C.), ADVANI (S.G.) - Foam core deformation during liquid molding of sandwich structures : modeling and experimental analysis. - Journal of Sandwich Structures & Materials, vol. 5, no 4, p. 351-376, oct. 2003.
-
(3) - COMAS-CARDONA (S.), GROENENBOOM (P.), BINÉTRUY (C.), KRAWCZAK (P.) - A generic mixed FE-SPH method to address hydro-mechanical coupling in liquid composite moulding processes. - Composites, Part A, 36, p. 1004-1010 (2005).
-
(4) - LEE (S.Y.), SPRINGER (G.S.) - * - Journal of Composite Materials, vol. 24 (1990).
-
(5) - PHAM (X.T.), TROCHU (F.) - * - Polymer Composites, vol. 20, no 3 (1999).
-
...
ANNEXES
1 À lire également dans nos bases
BERBAIN (F.) - CHEVALIER (A.) - Mise en œuvre des composites – Méthodes et matériels. - [A 3 720] Traité Plastiques et Composites (1997).
BINÉTRUY (C.) - Physique du moulage des composites avancés : aspects théoriques. - [AM 3 718] Traité Plastiques et Composites (2004).
BINSE (P.) - Fabrication de profilés en composites par pultrusion. - [A 3 730] Traité Plastiques et Composites (1995).
BOISSE (P.) - Mise en forme des renforts fibreux de composites. - [AM 3 734] Traité Plastiques et Composites (2004).
CHOUDIN (C.) - Mise en œuvre des composites – Coûts d'investissement. - [AM 3 721] Traité Plastiques et Composites (2003).
GUILLON (D.) - Fibres de verre de renforcement. - [A 2 110] Traité Matériaux fonctionnels (1995).
VINCENT (M.) - Orientation des fibres courtes dans les pièces en thermoplastique renforcé. - [AM 3 729] Traité Plastiques et Composites (2003).
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