Les principaux procédés de fabrication de composites sont les suivants : – Moulage au contact
– Projection simultanée
– Moulage sous vide (LRI Liquid Resin Infusion, RFI Resin Film Infusion cf. ¶1.3.3.3 et ¶1.3.3.2) – Moulage par injection (RTM Resin Transfer Moulding, cf. ¶1.3.3.1)
– Moulage en autoclave
– Compression à chaud de mat pré-imprégné ou de prémix (SMC) – Enroulement filamentaire (corps tubulaire ou creux)
– Moulage par centrifugation (corps tubulaire ou creux).
Les procédés sont parfois classés en tant que procédés parvoie sèche (semi-produits pré-imprégnés) ou par voie humide (renforts secs). Historiquement, les propriétés mécaniques les plus élevées étaient obtenues en utilisant des renforts unidirectionnels pré-imprégnés en contrepartie de coûts élevés (main d’oeuvre, stockage, matière et matériel). Depuis la fin des années 80, les procédés par voie sèche, ont permis de réduire considérablement ces coûts à condition d’utiliser des renforts secs tels que les multiaxiaux. Aujourd’hui, ces nouvelles solutions permettent d’approcher les propriétés mécaniques
1.3. PROCÉDÉS DE FABRICATION DES COMPOSITES
CHAPITRE 1. CONTEXTE : OPTIMISATION DE PROCÉDÉS D’ÉLABORATION DES COMPOSITES
obtenues avec les UD pré-imprégnés. Les principales limitations concernent les procédés de mise en oeuvre. Ainsi, de nombreux procédés sont sans cesse développés dans l’industrie afin d’améliorer la qualité de l’imprégnation et de maîtriser les caractéristiques de la pièce finale.
1.3.2 Les procédés par voie sèches
Les nappes et les tissus pré-imprégnés sont obtenus en imprégnant les fibres avec une résine. Les fibres ainsi pré-imprégnées sont maintenues dans un état de polymérisation grâce à la conservation dans des compartiments frigorifiques. Ils sont d’un emploi commode et leur nature simplifie la conception des propriétés du produit fini. La première étape est la découpe des plis qui se fait dans les mêmes conditions qu’une découpe dans le monde du textile. La seconde étape est le drapage : une séquence d’empilement est réalisée en fonction des propriétés mécaniques recherchées. Enfin, la pièce que l’on appelle la préforme est mise dans une cavité sous vide puis dans une autoclave ou une presse chauffante qui impose un cycle de pression/température (voir paragraphe 1.2.4) propre au matériau. La pièce obtenue présente d’excellentes propriétés mécaniques, et, est faiblement poreuse, admet une fraction volumique de fibre élevée et présente une répartition homogène de la résine. Mais, les coûts de stockage des pré-imprégnés sont élevés même si, à terme, devraient se standardiser des pré-imprégnés qui peuvent être stockés à la température ambiante. Ces coûts seraient 40% moins importants si la résine et les renforts étaient stockés séparément.
1.3.3 Les procédés par voie humides
Il existe principalement deux grandes familles de procédés desquelles découlent de nombreuses variantes. Les procédés par injection consistent à injecter une résine liquide dans un moule rigide. Ces procédés sont connus sous les acronymes RTM (Resin Transfer Molding), VARTM (Vacuum Assisted
Resin Transfer Molding) ou ICRTM (Injection Compression Resin Transfer Molding). Pour répondre
aux problèmes de remplissage rencontrés sur des structures de taille importante et dans une stratégie de réduction permanente des coûts, les procédés par infusion font depuis une vingtaine d’années leur apparition. Ceux-ci sont plus connus sous les acronymes VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion), RIFT (Resin Infusion under Flexible Tooling), SCRIMP (Seemann Composites Resin Infusion Molding
Process), RFI (Resin Film Infusion), LRI (Liquid Resin Infusion). Nous nous proposons de décrire ici
brièvement les grands principes qui sous-tendent les procédés actuellement les plus utilisés à savoir les procédés par injection type RTM puis les procédés par infusion LRI et RFI que nous nous proposons d’instrumenter dans notre travail.
1.3.3.1 RTM : Resin Transfer Moulding
Après une étape de préformage des renforts, les préformes sont placées dans un moule fermé (Figure 1.4) muni d’une ou plusieurs buses d’injection et d’un ou plusieurs évents. La résine est ensuite injectée à pression ou vitesse contrôlée puis un cycle de température est imposé (Figure 1.2). Il est également possible de créer un vide d’air grâce à l’évent (procédé VARTM). L’injection de résine a lieu dans le plan des renforts. Les pièces créées possèdent des formes complexes à deux faces lisses pour une épaisseur finale contrôlée. La présence d’un moule rigide en deux parties peut entraîner un surcoût mais induit des temps de cycle courts et de faibles coûts de main d’oeuvre pendant l’injection. Par ailleurs, les fractions volumiques de résine et de fibres sont très bien contrôlées. En revanche, il est difficile d’atteindre un remplissage parfait du moule pour les pièces de grandes dimensions. Ces difficultés de
1.3. PROCÉDÉS DE FABRICATION DES COMPOSITES
remplissage conduisent à une étude de la stratégie de placement des points d’injection prenant en compte la variation de la viscosité de la résine pendant le remplissage [Kang 00].
Fig. 1.4 – Procédé RTM : Resin Transfer Molding
1.3.3.2 RFI : Resin Film infusion
Dans les procédés RFI, on cherche à réaliser l’infusion d’une résine initialement sous forme de film solide à travers l’épaisseur des renforts plutôt que dans leur plan sous l’action d’une pression motrice engendrée par le vide. L’idée de base de ces procédés était que des couches séparées et alternées de fibres et de résine pourraient permettre aux bulles d’air de s’échapper pendant le processus de cuisson et d’infusion en autoclave [Blest 99]. Cette technique, depuis améliorée, peut permettre la production de structures épaisses tout en réalisant une économie par rapport aux techniques utilisant des pré-imprégnés et par rapport au procédé RTM.
Les couches de fibres préformées sont déposées au-dessus de la couche de résine solide (Figure 1.5). Afin d’assurer une bonne finition de la surface supérieure, une plaque perforée peut être placée au dessus de l’empilement nappes / résine. Un tissu absorbant est éventuellement utilisé pour absorber l’excédent de résine (généralement en fibre de verre). L’ensemble est ensuite isolé à l’aide d’un film en plastique antiadhésif, puis introduit dans un système permettant d’imposer un cycle de pression (pompe à vide) et de température (autoclave ou table chauffante). Après application du cycle de température, la viscosité du film de résine décroît provoquant l’infusion de la résine à travers l’épaisseur des préformes sous l’action combinée du cycle de pression et de température. L’infiltration et la consolidation (réticulation de la résine) se déroulent en deux étapes peu dissociées (Figure 1.5). 1.3.3.3 LRI : Liquid Resin Infusion
Plus récemment, des techniques utilisant des lits de résine liquide ont fait leur apparition (LRI). Dans ce cas, la couche de résine est réalisée à l’aide d’un tissu drainant, fortement perméable, et placé au-dessus de l’empilement de fibres préformées (Figure 1.6). La déformation du tissu drainant est supposée négligeable devant les déformations à l’intérieur des préformes sèches et humides. Sa rigidité
CHAPITRE 1. CONTEXTE : OPTIMISATION DE PROCÉDÉS D’ÉLABORATION DES COMPOSITES
Fig. 1.5 – Procédé RFI : Resin Film Infusion [Celle 07]
est très grande. Le différentiel de pression entre l’arrivée de résine, située au niveau du drainant, et l’évent, situé sur la base de la préforme, provoque l’infusion de la résine d’abord dans le drainant puis à travers l’épaisseur des préformes sèches. On observe sur la figure 1.7 l’infusion progressive de la résine dans le drainant. Cette étape dure quelques minutes. Au préalable, la résine est préchauffée dans un compartiment externe à environ 120°C pour avoir une viscosité suffisamment faible. Elle est injectée par une entrée souple qui remplit, en premier lieu, le textile drainant qui se trouve au dessus de la préforme. Dans un second temps, cette résine infuse vers la base du dispositif. Il est probable que le front de la résine soit plus complexe que cette description en deux temps. Le remplissage est l’objet des travaux de la thèse de Celle [Celle 07]. Des tissus d’arrachage appelés peel-ply fortement perméables peuvent être placés sur les faces inférieures et supérieures des préformes afin d’obtenir de meilleurs états de surface. Le contre-moule est facultatif mais est souvent employé car il permet une répartition homogène des épaisseurs et conduit ainsi à des fractions volumiques de fibres relativement constantes.
Fig. 1.6 – Procédé LRI : Liquid Resin Infusion [Celle 07] Les principaux avantages apportés par ce procédé sont :
– l’économie du moule,
– la possibilité de réaliser des grandes pièces de plusieurs mètres, – une plus grande épaisseur des pièces.
Performances : L’infusion dans le sens transverse présente un double avantage. Le premier avan- tage s’inscrit d’abord en termes de temps de cycles puisque les pièces composites ont généralement des rapports section sur volume très faibles. Les distances de parcours de la résine sont donc faibles par rapport aux distances mises en jeu dans les procédés par injection classiques (RTM). Le second avantage se définit en termes de qualité de l’infusion puisque ces faibles distances de parcours im-