Chapitre III. Proposition et étude des solutions d’enroulement
III.4 Conception de solutions d’enroulement sandwich
III.4.5 Synthèse des conceptions possibles et choix de la solution finale
Quatre propositions concernant la conception d’une solution d’enroulement pour des structures sandwich ont été présentées dans les sections précédentes, suivant des règles bien définies dans le chapitre 2. Pour satisfaire les besoins du projet, des critères de choix des matériaux constituants sont fixés dès le début de l’étude car ils sont en effet fortement liés à la conception du procédé et dépendent donc de la méthode d’enroulement filamentaire. Pour la première solution d’enroulement, l’idée principale était de faire enrouler les peaux de la structure sandwich en déposant une âme légère et drapable. Cette âme peut être principalement de type mousse à cellules fermées PET (solution ARMAform) ou PU (solution SAERfoam 3D), en nid d’abeille courbe PP (solution NIDAplast) ou aussi sous forme de fibres de verre tissés 3D qui font la partie intégrante de la structure sandwich (solution PARAbeam 3D).
Une étude technico-économique a été faite en premier lieu sur ces matériaux candidats en fonction du prix/m² (Figure II-77), en même temps que pour l’emplacement des fournisseurs sur la carte montrée sur la Figure II-78, pour avoir une idée sur les coûts éventuels du transport de la matière première. La Figure II-77 montre clairement que le prix augmente en fonction de la masse volumique concernant l’âme en mousse PET de chez (ARMACELL, 2017), mais aussi de la résistance mécanique correspondante. L’entreprise peut fournir des plaques de mousse ayant des dimensions de 1220 x 1008 mm et avec différentes options de finition tel que le quadrillage, ou encore une plaque pleine thermo-formable (utilisée dans la conception de solution d’enroulement sandwich N°3).
Figure II-77 : Comparaison des prix HT des âmes candidates pour certaines solutions. La solution sandwich avec mousse possédant des ponts en verre SAERfoam 3D de chez (SAERTEX, 2017) est relativement chère par rapport aux autres types d’âme, par contre, c’est un matériau qui peut être livré en rouleaux et pas en plaques, ce qui constitue un atout pour la première solution d’enroulement proposée. La quantité minimum à commander chez le fournisseur français est de 100 m² et les dimensions de livraison possibles sont de 1200 x 2400 mm. Toutefois, ce matériau de mousse en PU possède des caractéristiques mécaniques moyennes par rapport aux autres (PET, PP) surtout en compression perpendiculaire. En ce qui concerne l’âme en nid d’abeille en PP de chez (NIDAPLAST, 2017), le prix du m² est correct compte-tenu des caractéristiques mécaniques du matériau et son avantage réside dans la drapabilité de l’âme qui est coupée en petits damiers comme celle de ARMAform PET quadrillée et qui peut se poser manuellement sur le mandrin sous forme de plaques
faisant 1250 x 1200 mm. Le dernier matériau candidat (PARABEAM, 2017) était choisi pour son prix intéressant par rapport aux autres matériaux d’âme et pour les dimensions possibles de livraison qui peuvent aller jusqu’à 5000 x 5000 mm2. C’est un matériau qui peut épouser les formes courbes et qui constitue par la suite l’âme structurelle entre les deux peaux enroulées puisqu’il est déjà composé de fibres de verre tissées. Néanmoins, ses caractéristiques mécaniques sont moins bonnes que les autres types d’âmes proposés.
Figure II-78 : Etude technico-économique pour les âmes candidates.
Cette première solution possède notamment des avantages concernant le temps de production nécessaire, la facilité de mise en œuvre de la structure sandwich et le coût de la matière première (Figure II-77). Cependant, la demande d’outillage nécessaire à la production reste un des points limitants industriellement.
La deuxième solution d’enroulement des sandwich, inspirée des travaux de (DUFT, 1967), possède un point très avantageux qui réside dans l’enroulement du sandwich complet avec le même matériau. En effet, une structure de type nid d'abeille courbée se forme par la superposition de couches de fibres de verre enroulées à différents angles et avec un certain espacement. Donc il y a des avantages notables concernant le coût de la matière première relativement faible par rapport à la première solution. A noter que ce procédé ne demande pas un outillage complémentaire. Par contre, la mise en œuvre de la structure n’est pas facile et demande ainsi des techniciens expérimentés en enroulement filamentaire. Ceci peut influencer sur le temps de fabrication d’une structure sandwich enroulée entièrement en fibres de verre, puisqu’une grande précision est demandée au cours de l’enroulement des fils.
Concernant la troisième solution qui utilise le thermoformage des âmes en mousse PET de chez (ARMACELL, 2017) pour former des structures courbe en sandwich, elle semble être pertinente pour une utilisation en enroulement filamentaire. Cependant, elle demande un outillage important et très spécifique concernant le moule de thermoformage, un temps de production important notamment en ce qui concerne les temps de chauffage et de refroidissement. Par contre, le coût de la matière première reste relativement correct par rapport aux autres solutions et la mise en œuvre des âmes sandwich est relativement facile et ne demande pas une main d’œuvre qualifiée.
Enfin, la quatrième solution d’enroulement comporte deux peaux en fibres de verre préfabriquées plus une mousse expansive à l’intérieur qui forme l’âme de la structure. Les avantages de cette méthode résident donc dans le temps total nécessaire pour la fabrication et le prix de la matière première. Par contre les deux peaux cylindriques déjà préfabriquées doivent être bien coaxiales ce qui correspond à une première difficulté concernant la mise en œuvre de la structure. Une deuxième réside dans le fait de pouvoir arrêter l’expansion aux extrémités du mandrin, ce qui confirme que cette solution oblige le fabriquant à avoir un outillage nécessaire durant la production.
Dans le tableau récapitulatif ci-dessous, toutes les solutions proposées précédemment sont comparées en fixant 4 critères jugés déterminants pour la sélection du procédé final qui va être utilisé par la suite pour l’enroulement de la structure sandwich constituant la citerne, et par conséquence le choix important du matériau d’âme final qui est lié au choix du procédé de fabrication. Critères / Solutions Temps de fabrication Outillage nécessaire à la production Mise en œuvre des matériaux Coût de la matière première Solution 1 (Âme enroulée)
+ +
-
+
+
Solution 2 (Structure en Nida)-
+
- -
+ + +
Solution 3 (Thermoformage)-
-
+ + +
+ +
Solution 4 (Mousse expansive)+
-
- -
+
Tableau II-5 : Comparaison des différentes solutions d’enroulement proposées.
Le Tableau II-5 met en évidence que les trois premières solutions sont relativement intéressantes avec plus d’avantages pour la troisième au niveau de la facilité de mise en œuvre de la structure sandwich et le coût de la matière première. Généralement, le critère de choix concernant la facilité de mise en œuvre de la structure sandwich est très importante
pour les industriels parallèlement au coût de la matière première qui reste un des points essentiels à minimiser dans la production. Puisque la fabrication des citernes routières sera dans un cadre industriel à petites séries vu la grande taille de la structure et les besoins du projet, le temps de fabrication peut se classer comme le critère le moins important parmi les quatre critères de choix cités tant qu’il reste raisonnable. La fabrication de la structure courbe en utilisant la solution 4 à mousse expansive est relativement difficile, en plus elle possède peu d’avantages par rapport aux autres solutions proposées. Elle sera donc classée en dernière position. La deuxième solution, où la structure sandwich est formée par un même constituant enroulé (fibres de verre), demande une grande précision lors de la mise en œuvre et puisque les solutions 1 et 3 sont mieux placés vis-à-vis de ce critère, cette solution sera classée en troisième position. Malgré le fait que la première solution d’enroulement de l’âme possède un temps de fabrication relativement faible, la troisième solution de thermoformage de l’âme s’avère plus intéressante pour le partenaire industriel, surtout en pensant à la méthode de mise en œuvre et les moyens actuels qu’il possède dans l’usine. En effet, après les discussions menées dans les réunions du comité de pilotage technique organisées tout au long du projet, et suite à l’étude individuelle de chaque cas proposé lors des réunions, la solution la plus intéressante est celle où les âmes thermoformées sont utilisées dans la structure sandwich (solution n°3). En effet, la première solution d’enroulement de l’âme ressemble un peu à celle du thermoformage mais possède un inconvénient majeur pour les mousses PET qui est le quadrillage des âmes et leur chevauchement qui doit être contrôlé et maitrisé le long de toute la structure. Ce vide peut être rempli par la résine qui coule lors de l’enroulement des fibres et augmente par conséquence la masse de la structure globale. Par contre, dans la solution utilisant des âmes en mousse thermo-formables, ce matériau est déposé sous forme de plaques bien pleines qui épouse la forme du mandrin après sa mise en forme sur un moule accessoire. Pour résumer, ces deux solutions de conception (1 et 3) répondent bien aux besoins industriels avec efficacité et efficience, d’autant plus qu’elles sont très ergonomiques relativement aux deux autres solutions proposées (2 et 4). Dans la suite de cette réflexion, l’étude qui va suivre va concerner les deux solutions les plus intéressantes, à savoir la solution de dépose de l’âme « 1» et de thermoformage « 3 ». Par conséquent dans le prochain chapitre, un montage prototype pour la mise en œuvre des âmes a été développé en plusieurs étapes pour tester et valider les solutions retenues, afin de pouvoir fabriquer des éprouvettes « test », optimiser le procédé et fabriquer à la fin la citerne sandwich prototype.