Procédés de mise en oeuvre

La fabrication des matériaux composites peut se faire de différentes manières, selon le type de matrice utilisée, le type et l’architecture de renfort, et les attentes concernant la pièce finale. Cette partie présente les procédés de fabrication les plus utilisés [26].

1.2.5.1 Mise en oeuvre par voie humide

On parle de mise en oeuvre par voie humide lorsque les fibres sont imprégnées de résine catalysée relativement fluide. Dans le cas des résines thermodurcissables, une fois le mélange des constituants (résine et durcisseur) réalisé, l’opérateur dispose d’un certain temps pour associer la résine non polymérisée au renfort. Voici quelques exemples de mise en oeuvre par voie humide :

• Le moulage au contact

Le moulage au contact consiste à imprégner manuellement le renfort de résine. L’opérateur dispose les fibres sur le moule (préalablement ciré ou enduit d’un agent de démoulage) et utilise un rouleau ou un pinceau pour appliquer la résine, comme illustré sur lafigure 1.6.

moule renforts ^{résine catalysée} rouleau (a) Tissus d'arrache Dépression Prise de vide Bâche à vide Mastic d'étanchéité (b)

Figure 1.6 – Procédé de moulage au contact : a) imprégnation manuelle du renfort et b) compaction sous vide

Cette technique est particulièrement adaptée à la réalisation de stratifiés de plis unidirectionnels. Les différents plis, dont les fibres très serrées peuvent impliquer une mouillabilité délicate peuvent ainsi être imprégnées séparément et superpo-sées selon une séquence d’empilement comportant des directions variables. Une fois l’imprégnation réalisée, une compression peut être appliquée à l’ensemble afin d’améliorer le taux de compaction, d’éliminer l’excédent de résine et ainsi d’augmenter le taux de fibres. La compaction peut être réalisée sous presse, ou au moyen d’un sac à vide, avec un apport de chaleur éventuel pour accélérer la polymérisation. Ce procédé présente l’avantage d’être simple et peu onéreux. En revanche, l’application manuelle de la résine présente quelques inconvénients. L’opérateur doit en effet veiller à ne pas perturber l’orientation ou l’alignement des différentes couches de fibres. Par conséquent, ce procédé est moins adapté pour les composites à fibres courtes. Il requiert de plus l’utilisation de résines plutôt visqueuses. L’imprégnation à l’air libre peut induire des porosités indésirables du fait de l’emprisonnement de bulles d’air dans les résines visqueuses. Enfin, la ma-nipulation des résines peut poser des problèmes d’hygiène et de sécurité au travail.

• La projection simultanée

La projection simultanée est un procédé relativement similaire au moulage au contact, mais réservé aux renforts de type charges ponctuelles et fibres courtes. La résine catalysée est projetée sur la pièce de manière simultanée avec le renfort, ainsi directement imprégné et disposé aléatoirement. Là encore, il est possible d’envisager une compression de la pièce finale jusqu’à polymérisation. Cette

technique est particulièrement adaptée aux formes complexes, et permet la réali-sation rapide de pièces, puisque la projection peut se faire à l’aide d’un "pistolet à peinture". En revanche, compte tenu de la taille du renfort, ce procédé est plutôt destiné à la réalisation de pièces à faibles caractéristiques mécaniques. Les incon-vénients liés à la projection simultanée sont les mêmes que ceux énoncés dans le paragraphe précédent.

• Moulage par injection ou infusion

Le procédé dit de "Resin Transfert Moulding", illustré figure 1.7 est aussi utilisé pour la mise en oeuvre des composites à matrice thermodurcissable par voie hu-mide. Injection de résine Moule Contre-moule Mastic d'étanchéité Renforts

Figure 1.7 – Illustration du procédé de moulage par injection de résine

Les tissus secs sont positionnés entre un moule et un contre-moule rigide. L’en-semble est hermétiquement fermé. Une pompe injecte ensuite la résine qui se pro-page dans l’intervalle existant entre le moule et le contre-moule, en imprégnant les fibres. L’avancée de la résine peut être aidée par une aspiration de vide (Va-cuum Assisted RTM). L’infusion de résine liquide est un procédé très similaire, qui n’utilise pas de contre-moule rigide, mais une bâche à vide flexible. La com-paction de la préforme ainsi que l’avancée de la résine sont assurées uniquement par la dépression imposée. Du fait de l’absence de contre-moule, ce procédé est particulièrement bien adapté à la production en petite série de pièces à géométries complexes ou de très grandes dimensions (coque de bateau, pales d’éolienne, etc.)

1.2.5.2 Mise en oeuvre des composites à matrice thermoplastique

La mise en oeuvre des composites à matrice thermoplastique nécessite des procédés différents de ceux des thermodurcissables. Dans ce dernier cas, une résine est mélangée à un activateur et la polymérisation qui s’ensuit est irréversible. Dans le cas des ther-moplastiques, les matrices sont généralement déjà polymérisées, et nécessitent d’être refondues pour imprégner les fibres. Les procédés les plus couramment utilisés pour la fabrication des composites sont :

La matrice thermoplastique, initialement sous la forme de granules (compounds), est d’abord chauffée et compressée par l’intermédiaire d’une vis sans fin, dans laquelle des charges ou des fibres courtes peuvent être ajoutées, le mélange et l’imprégnation étant ainsi réalisés de manière continue. La vis sans fin permet en-suite l’injection de la matière dans un moule. Après un temps de refroidissement suffisant, la pièce peut ensuite être démoulée. Ce procédé, illustré sur lafigure 1.8

est un des plus utilisés pour la réalisation de pièces faiblement ou moyennement renforcées, en grande série ou avec des cadences qui peuvent être très soutenues.

Compounds TP _Renfort

Vis sans �in

Moule et contre-moule

Chauffage

Figure 1.8 – Procédé d’injection d’un composite thermoplastique renforcé de fibres courtes

• La thermocompression

La thermocompression permet la réalisation de pièces composites renforcées par des fibres longues (tissus unidirectionnels ou bi-axiaux), et permet par conséquent d’atteindre des performances mécaniques supérieures à celles permises par l’in-jection TP. Pour imprégner les fibres, on dispose les différents plis de tissus avec la séquence d’empilement désirée, en intercalant entre chaque pli une certaine quantité de matrice (sous forme de films ou de poudres). L’ensemble est générale-ment placé dans une presse à plateaux chauffants, permettant ainsi au polymère de fondre et de fluer en imprégnant les fibres. Le démoulage est possible après un temps de refroidissement suffisant. Il est possible de s’affranchir d’une presse en réalisant la compaction par l’intermédiaire d’un sac à vide (la température de fusion de la matrice étant atteinte grâce à un moule chauffant), ou en réalisant la fabrication en étuve ou en autoclave.

1.2.5.3 Autres procédés

Les procédés décrits précédemment constituent une liste non exhaustive des moyens existants pour la fabrication de composites. Ils peuvent être déclinés en de multiples variantes, plus efficaces selon les types de renfort ou de résine utilisés, la géométrie de la pièce finale, la cadence de production recherchée, etc. De plus, il existe des procédés spécifiques permettant d’atteindre de très hautes performances pour des pièces très

par-ticulières. Parmi eux, on peut citer le processus d’enroulement filamentaire, utilisé pour la réalisation de pièces présentant une symétrie de révolution, ou encore le moulage par pultrusion, permettant d’obtenir des profilés rectilignes ou courbes, renforcés dans la direction principale. Ces procédés permettent d’atteindre des taux de renfort supérieurs à 80%.

1.2.5.4 Particularité des composites à fibres végétales

L’utilisation de fibres végétales nécessite quelques précautions lors de la phase de mise en oeuvre. Tout d’abord, les températures exigées par certains procédés notamment de thermocompression, pour atteindre la fusion de la matrice (parfois supérieures à 200˚C), peuvent endommager les fibres. Cet endommagement doit alors être quantifié et ses conséquences sur les propriétés de la pièce finale (si elles sont avérées) doivent être prises en compte [27,28]. D’autre part, l’utilisation de hautes températures avec des fibres végétales peut impliquer des émissions de composés organiques volatiles (COV) [29], éventuellement associées à des odeurs pouvant avoir un impact négatif. Pourtant, la présence d’eau au sein des fibres végétales nécessite des traitements thermiques de séchage. Les températures et les durées doivent être déterminées avec précaution, afin de retirer suffisamment d’eau pour assurer une bonne compatibilité avec la matrice et éviter de développer des porosités, sans pour autant dégrader les propriétés mécaniques des fibres.