Technique de fabrication du composite

L’utilisation de matériaux composites à matrice polymérique a considérablement augmenté au cours des dernières années dans divers secteurs industriels, en particulier celui de l’aéronautique. En effet, ces matériaux en question présentent plusieurs avantages tels que leurs meilleures propriétés mécaniques en termes de rigidité tout en réalisant des gains importants en termes de masse par rapport aux matériaux conventionnels métalliques. Toutefois, les applications extensives des matériaux composites sont restreintes et limitées en raison du coût élevé de leur fabrication. En particulier, pour les structures géométriquement complexes fabriquées par des procédés dispendieux tels que l’autoclave qui nécessite un long cycle de cuisson et une grande puissance de chauffage, ceci constitue un obstacle économique vis à vis leurs usages constamment croissants. Il est donc important de développer une technique de fabrication rapide pour de larges séries de production qui puisse répondre au besoin du marché. Le procédé de moulage par compression  est une méthode largement utilisée pour la mise en forme des matériaux composites à résine thermoplastiques, car l’équipement est disponible, économique, facile à installer et à s’adapter puisque les presses pour la transformation du métal peuvent s’adapter au moulage des composites thermoplastiques. En plus, le cycle de production est relativement court, assure une meilleure tolérance de l’épaisseur et on peut fabriquer des pièces très complexes tridimensionnelle. Ce procédé comprend 2 étapes importantes : le chauffage et le refroidissement. Pour réduire le coût énergétique de fabrication, il faut bien contrôler l’étape de chauffage des pièces à fabriquer dépendant de leurs géométries. Autrement dit, la puissance de chauffage doit être étudiée de manière paramétrique en identifiant les paramètres influents utilisant des outils de simulation numérique sachant que la puissance de chauffage multipliée par le temps de chauffage et le tarif de consommation d’électricité donne le coût de l’énergie.

Les travaux antérieurs ont démontré que l’estimation de la puissance de chauffage des pièces en matériaux composites est basée sur des approximations rudimentaires ce qui donnent des résultats inexacts et imprécis (Akermo et Astrom, 2000). Pour Haffner (2002), le coût de chauffage est déterminé avec un taux massique qui dépend du type de matériau et le type de l’équipement utilisé sans prendre en considération la puissance de chauffage puisqu’il présume que celle-ci est très faible par rapport aux autres éléments du coût de fabrication.

En 2016, M. El Wazziki a développé un modèle numérique tridimensionnel pour l’estimation de la puissance de chauffage des pièces en composite thermoplastique fabriquées au moyen du procédé de moulage par compression. La détermination de la puissance de chauffage en fonction du volume de la pièce se fait par la simulation numérique du cycle thermique du procédé en utilisant le logiciel d’éléments finis COMSOL en changeant le volume du moule et de la pièce tout en considérant le même cycle du procédé. Les résultats ont démontré que le profil de la puissance thermique est linéaire. Mais cette méthodologie est limitée pour la dimension du moule à deux fois plus grande. Pour des pièces ayant des géométries supérieures à deux fois plus grand, le profil de la puissance thermique est ignoré.

Ce mémoire consiste à réaliser une étude paramétrique de la puissance de chauffage des pièces structurales aéronautiques en composites thermoplastique fabriquées au moyen de deux procédés de moulage par compression. Premièrement, trois types de pièces sont produites avec des imprégnés de fibres courtes d’orientation aléatoires (ROS), et deuxièmement, une pièce concave est fabriquée à partir de feuilles imprégnées de fibres continus unidirectionnels UD.

Matériaux composites 

Les matériaux composites sont définis comme une combinaison d’au moins deux composants ayant des phases chimiques différentes pour produire un matériau ayant des propriétés mécaniques différentes de celles des composantes individuelles initiales.

Un matériau composite est généralement constitué de renforts et de matrices.

1. Renfort : assure la résistance et la rigidité du matériau. Les renforts les plus utilisés pour le renforcement des composites sont les fibres, tel que : les fibres de verre (utilisée dans 95% des composite), les fibres de carbone, les fibres naturelles et les fibres d’aramides.

2. Matrice : assure la répartition et la cohésion des contraintes dans tout le matériau composite et protège les fibres contre les dommages extérieurs.

Le renforcement de la matrice par des fibres améliore les propriétés mécaniques du composite. Les fibres continues apportent généralement la plus grande amélioration des propriétés telles que la rigidité et la force et peuvent prendre des diverse formes (unidirectionnel, bidirectionnel, etc.). (Advani, S. G. et Hsiao, K. T., 2012). Dans ce travail de recherche, on s’intéresse uniquement au composite à matrice polymère renforcé par les fibres de carbone (CF/PEEK).

Technique de fabrication du composite 

Les caractéristiques mécaniques et thermiques des pièces fabriquées en matériaux composite ne dépendent pas uniquement des constituants du composite mais également du procédé de fabrication, des conditions d’utilisation, du volume de production et de la géométrie de la pièce (El Wazziki, 2016).

Dans la littérature, il existe plusieurs méthodes de fabrication des matériaux composites tels que le moulage par injection, le moulage par compression, le moulage au contact, l’enroulement filamentaire, l’enroulement par drapages, l’infusion et RTM (Resin transfer molding). Le processus de fabrication étudié dans ce travail de recherche est le moulage par compression.

Procédé de moulage par compression 

Le moulage par compression est un procédé de mise en forme très utilisé par les industries aéronautiques pour former des pièces composites thermoplastiques de formes géométriques complexes. En effet, le matériau placé entre les deux moitiés du moule et prend la forme de la cavité du moule sous l’effet de la pression et de la chaleur. La pièce se solidifie par refroidissement et sera retirée après l’ouverture du moule.