Les proc´ed´es d’´elaboration de mat´eriaux composites sont tr`es importants car c’est lors de l’´elaboration que l’on va donner `a la pi`ece ses propri´et´es finales. L’objectif du proc´ed´e est de donner et de figer l’orientation des renforts dans la ou les directions d´esir´ees.
On retrouve g´en´eralement deux ´etapes importantes qui sont l’impr´egnation du r´eseau des fibres de renfort par la r´esine, puis la consolidation de la pi`ece `a travers un cycle de r´eticulation. On parle plus couramment, de cycle de (( cuisson )). Pour r´eussir `a donner les bonnes propri´et´es `a la pi`ece il est n´ecessaires de maˆıtriser l’ensemble des param`etres proc´ed´es. A titre d’exemple on pourra parler de cycle d’injection (pression, d´ebit d’injection) et de cycle de cuisson (temp´erature de palier, vitesse de chauffe).
Durant ces derni`eres ann´ees de nombreuses techniques ont ´et´e d´evelopp´ees. On peut, toutefois, distinguer les proc´ed´es par deux m´ethodes.
La m´ethode par voie(( s`eche )) consiste `a mettre en forme des renforts pr´e impr´egn´es avec une r´esine thermodurcissable ou thermoplastique. On dispose alors d’un semi-produit. La r´ealisation se d´eroule en deux ´etapes :
– la fabrication et le stockage du semi-produit ;
– la mise en forme et la polym´erisation du semi-produit.
La m´ethode par voie(( humide )) consiste `a impr´egner les renforts, au cours du processus de fabrication du produit. Ainsi le produit et le mat´eriau composite sont r´ealis´es simultan´ement. On se limite ici `a la pr´esentation du proc´ed´e RTM et `a l’une de ses variantes, qui sont couramment utilis´es en industrie pour l’injection de pi`eces complexes.
1.4.1 Le proc´ed´e Resin Transfer Moulding (RTM)
Les fibres de renfort sont plac´ees dans un moule ferm´e avec l’orientation d´esir´ee pour constituer la pr´eforme de la pi`ece. Cette pr´eforme peut aussi ˆetre r´ealis´ee `a l’ext´erieur du moule. Lors de cette premi`ere phase, on va donner `a la pr´eforme la g´eom´etrie de la pi`ece ainsi que le taux volumique de fibre d´esir´e (Tvf). La r´esine est ensuite inject´ee dans le moule par l’interm´ediaire d’une pompe basse pression (figure 1.5). La cuisson de la r´esine se fait par chauffage contrˆol´e du moule. La dur´ee de polym´erisation varie de quelques minutes `a quelques heures selon le type de r´esine et la g´eom´etrie de la pi`ece. Pour am´eliorer la qualit´e de la pi`ece on peut r´ealiser une d´epression en sortie de moule. Cela permet de r´eduire le taux de porosit´e de la pi`ece produite. Ce proc´ed´e permet d’´elaborer une grande gamme de pi`eces composites avec de tr`es bonnes caract´eristiques m´ecaniques (on peut atteindre des Tvf allant jusqu’`a 60%) et un bon ´etat de surface finale. Il permet aussi de r´ealiser des pi`eces avec diff´erentes architectures de renforts, dont des pr´eformes 3D. De plus, il est d´ej`a possible d’automatiser une partie des ´etapes de fabrication tel que le drapage et le pr´eformage de la pr´eforme, ce qui permet de r´eduire le coˆut de production d’une pi`ece.
Malgr`e l’ensemble de ces avantages, ce proc´ed´e n’est pas encore exploit´e au maximum de ses capacit´es, car il requiert une phase de d´eveloppement assez longue pour mettre au point les
1.4. Les proc´ed´es d’´elaborations
param`etres proc´ed´es. Pour autant, c’est un proc´ed´e tr`es prometteur pour la r´ealisation de pi`eces complexes en petite et moyenne s´erie.
Figure 1.5 – Sch´ema de principe du proc´ed´e RTM
1.4.2 Une variante du proc´ed´e RTM : le RTM Light
Le proc´ed´e RTM Light aussi appel´e Vaccum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) est particuli`erement adapt´e pour des applications de petite et moyenne s´erie. Ce proc´ed´e est similaire au proc´ed´e RTM, except´e qu’en plus de l’injection de r´esine, on va pr´ealablement faire le vide dans la cavit´e de moule, de sorte `a cr´eer une aspiration de la r´esine (figure 1.6). Contrairement au proc´ed´e RTM, celui-ci n´ecessite simplement un demi moule, le moule sup´erieur ´etant semi-rigide ou une bˆache flexible. La r´esine passe `a travers la pr´eforme sous l’effet d’une d´epression cr´e´e dans la cavit´e. L’´ecoulement de la r´esine ne peut pas ˆetre acc´el´er´e au-del`a de la pression appliqu´ee sur la bˆache (g´en´eralement la pression atmosph´erique). La pression d’injection est typiquement limit´ee `a 1 bar. L’injection se faisant `a basse pression, on rajoute un drainant sous la bˆache, pour faciliter l’impr´egnation de la pr´eforme.
Ce proc´ed´e a l’avantage de permettre une r´eduction de coˆut, du fait de l’utilisation d’un seul demi-moule rigide. Cependant les cadences de production sont plus faibles qu’avec un proc´ed´e RTM, et l’´etat de surface cˆot´e bˆache `a vide n’est pas tr`es bon. De plus l’utilisation d’une bˆache `a vide limite l’utilisation de ce proc´ed´e `a des applications avec des g´eom´etries simples.
Figure 1.6 – Sch´ema de principe du proc´ed´e VARTM
1.4.3 Applications RTM
Parmi les nombreuses utilisations de ce proc´ed´e (figure 1.7(b)), on peut citer la r´ealisation du fuselage d’un h´elicopt`ere de l’arm´ee (NH90). C’est une pi`ece de grande dimension incluant les raidisseurs `a la structure. La pi`ece est r´ealis´ee en une seule phase par le proc´ed´e VARTM. Un autre type de pi`ece qui a mis en ´evidence un saut technologique dans le milieu des composites, est la r´ealisation des h´elices de moteur par le groupe Safran (figure 1.7(c)). Cette pi`ece a ´et´e r´ealis´ee grˆace `a une pr´eforme en 3D, inject´ee entre deux moules rigides. Le proc´ed´e RTM a permis non seulement d’injecter ce type de pi`ece mais en plus a permis d’envisager l’industrialisation de ce type de pi`ece.
Cet engouement pour le proc´ed´e RTM a ´et´e confirm´e par l’ambitieux programme de Boeing, qui a r´ealis´e une partie du train d’atterrissage du Boeing 787 en mat´eriaux composites. Il s’agit de pi`eces de structures primaires, appel´ees contres fiche, qui permettent de transmettre les efforts venant du train d’atterrissage `a la structure de l’avion (figure 1.7(a)). Tout comme les h´elices, elles sont r´ealis´ees par l’interm´ediaire d’une pr´eforme 3D, qui conf`ere `a la pi`ece de tr`es bonnes caract´eristiques m´ecaniques suivant les trois dimensions. Le proc´ed´e RTM apparaˆıt comme l’un des proc´ed´es le plus ad´equat pour l’injection de ce type de pr´eforme et en vue de l’industrialisation de petite et moyenne s´erie. L’investissement de d´epart peut ainsi ˆetre amorti relativement rapidement. Il est donc en ce sens tr`es prometteur pour l’avenir.
1.4. Les proc´ed´es d’´elaborations
(a) (b)
(c)
]
(d)
Figure 1.7 – Applications des proc´ed´es RTM et VARTM : (a) Train d’atterrissage du Boeing 787 comprenant des biellettes en Composite r´ealis´ees en RTM ; (b) Contre fiche de l’h´elicopt`ere NH90 d´evelopp´ee par Eurocarbon avec le proc´ed´e RTM ; (c) Fuselage d’un h´elicopt`ere r´ealis´e en VARTM par AEROTEC ; et, (d) H´elices d’un moteur de Jet r´ealis´ees en RTM par SNECMA.