Généralités

La mise en œuvre de pièces composites à matrice thermoplastique se déroule suivant trois phases. Les objectifs sont l’imprégnation complète du renfort par la matrice et l’élimination des vides pour obtenir une pièce composite avec une microstructure conforme aux exigences. L’ensemble de ces étapes est représenté au travers d’un cycle en température associé à un aperçu de l’évolution du niveau de consolidation au cours de la mise en œuvre en [Figure 1.37].

Figure 1.37 – Cycle en température typique de consolidation pour un composite thermoplastique - [Bourban+2001]

La première étape consiste à chauffer le semi-produit au-delà de la température de fusion de la matrice afin d’abaisser la viscosité de la matrice et lui permettre de s’écouler dans le renfort. Au cours de cette étape les phases cristallines, initialement présentes dans le polymère, disparaissent.

Les procédés « classiques » de mise en œuvre par moulage de pièces composites La deuxième étape est la consolidation du stratifié caractérisée par l’imprégnation du renfort, l’adhésion entre les mèches et les plis et par l’élimination des porosités. Le polymère à l’état fondu vient tout d’abord imprégner le renfort et assurer le contact intime fibre/matrice. Dans le cas d’un semi-produit hétérogène de type renfort textile tissé ou tricoté, il existe deux niveaux d’imprégnation : l’imprégnation inter mèche (macroscopique) et intra mèche (microscopique). La première est plus rapide que la seconde en raison d’une perméabilité plus faible dans la mèche conduisant à une augmentation du temps d’imprégnation. Par ailleurs, c’est au cours de cette étape que l’adhésion au niveau de l’interface fibre/matrice se produit. Elle assure le transfert de charge entre la matrice et le renfort et son efficacité dépend des caractéristiques physico- chimiques de ces deux matériaux. Le traitement des fibres de renfort par ensimage permet d’améliorer cette interface. On distingue deux mécanismes lors de cette phase. Le premier mécanisme est l’adhésion des interfaces générée par des réactions physico-chimiques entre deux matériaux différents. Le deuxième est un phénomène dit « d’auto-adhésion » lié à la diffusion des chaînes du polymère thermoplastique au niveau de l’interface. Une pression externe est appliquée sur les plis afin de réduire les vides intra et inter mèche et pour compacter l’ensemble. Le déroulement de cette phase diffère suivant la nature du renfort, de la matrice et des conditions opératoires.

Le cycle s’achève par une phase de solidification pendant laquelle la matrice thermoplastique est refroidie. Dans le cas d’une structure semi-cristalline, le polymère va acquérir ses propriétés mécaniques. La rampe de refroidissement conditionne le taux de cristallinité de la matrice. La pression externe est toujours appliquée lors de cette phase pour éviter notamment une déconsolidation du stratifié (décollements, augmentation du nombre de porosités...). La maîtrise du niveau de pression appliqué sur le stratifié pendant la consolidation et la solidification garantit une bonne santé matière du composite.

Les procédés de mise en œuvre de ces semi-produits pour fabriquer des pièces composites à géométrie simple ou complexe se décomposent en deux catégories :

➢ Les procédés de moulage sous vide.

➢ Les procédés d’emboutissage et de thermocompression.

Parmi ces deux familles, on retrouve les procédés couramment utilisés dans l’industrie : Le moulage poinçon-matrice [Figure 1.38] :

Un système moule contre-moule vient appliquer une pression de l’ordre de 1 à 2 bars à l’ensemble renfort textile/matrice. Le tout est ensuite chauffé (dans une étuve ou à l’aide de résistances chauffantes) à haute température pour permettre l’imprégnation du renfort par la matrice. C’est un procédé de moyenne cadence [Gay2005].

Figure 1.38 – Principe du moulage poinçon/matrice d’une préforme Le moulage par thermo estampage [Figure 1.39] :

Le procédé consiste, comme pour les procédés d’estampage à chaud sur les métaux, à matricer une plaque composite renforcée de fibres continues liées par un polymère thermoplastique entre un moule et un contre-moule. La presse déforme une plaque préchauffée (T > Tm) jusqu’à son refroidissement pour assurer sa consolidation complète. Ce procédé est tout indiqué pour de la production en grande série, mais permet seulement de fabriquer des pièces composites à géométrie simple.

Figure 1.39 – Principe du moulage par thermo estampage d’une préforme Le moulage sous vide [Figure 1.40] :

Ce procédé consiste à draper une ou plusieurs couches de semi-produit sur un moule rigide accompagné d’un feutre drainant, d’un ou de plusieurs films séparateurs et d’un film pour permettre d’appliquer le vide dans le stratifié. Le vide permet d’évacuer l’air et tous les produits volatils présents dans la poche à vide. La montée en température au-delà de la température de fusion du polymère permet d’imprégner le renfort. La consolidation de la pièce s’effectue au cours du refroidissement. Ce procédé est dimensionné pour la mise en œuvre de structures de grandes dimensions et pour des séries de production faibles à moyennes [Berbain+1997].

Les procédés « classiques » de mise en œuvre par moulage de pièces composites

Figure 1.40 – Schéma de principe du moulage sous vide - [Lucas+2007a]

Le moulage au diaphragme [Figure 1.41] :

Le renfort préimprégné est placé entre deux films (ex : polyimide) et mis sous vide. L’ensemble, fixé sur un cadre et positionné au-dessus d’un moule, est placé en autoclave. Une pression externe et une phase de chauffage sont utilisées afin de mettre en forme et de consolider le stratifié sur l’outillage. Cette technique de moyenne cadence est adaptée à la mise en œuvre de pièces à géométrie complexe et permet d’obtenir un très bon état de surface de la pièce [Bourban+2004]. Une version alternative appelée hydroformage utilise un fluide hydraulique pour exercer une pression sur un diaphragme élastomère et former la pièce composite.

Figure 1.41 – Principe du moulage au diaphragme

Les mécanismes d’imprégnation et de consolidation sont communs à toutes les familles de procédés. Cependant, les spécificités de chaque procédé introduisent de nouvelles problématiques impactant la consolidation du composite thermoplastique. Une étude approfondie de ces mécanismes est primordiale afin de garantir une structure interne et des propriétés mécaniques de la pièce conforme aux exigences. Dans le cadre de la thèse, nous nous sommes intéressés au procédé de moulage sous vide en autoclave.