Optimisation du processus de dimensionnement thermomécanique

Les normes environnementales actuelles imposent une réduction importante des rejets de gaz à effet de serre dans les secteurs aéronautique et automobile. Une des voies de développement permettant la réduction de ces rejets est l’allégement des structures afin de réduire les consommations en fonctionnement. Cet allégement peut être réalisé grâce à l’utilisation des matériaux composites possédant une très bonne rigidité spécifique (ratio du module d’élasticité sur la masse volumique d’un matériau). Les industries aéronautique et automobile se tournent de ce fait de plus en plus vers ce type de matériaux pour la conception de leurs produits. Les nouveaux avions commerciaux sont ainsi constitués de plus de 50% de composites et les pièces primaires structurelles sont maintenant concernées.

Il est cependant impératif que les process de mise en œuvre des matériaux composites soient compétitifs en terme de coût-cadence-qualité afin de pouvoir répondre aux demandes des industriels et intégrer ce type de matériaux à grande échelle.

L’A320 d’Airbus, constitué d’environ 14% de matériaux composites, est un exemple typique de la nécessité à développer des lignes de fabrication efficientes et compétitives pour répondre à l’augmentation de la demande. En effet, la production d’A320 est passée de 58 appareils/an en 1990, à 241 en 2000, 401 en 2010 et 558 en 2017 .

La chaîne de production classique pour les matériaux composites hautes performances consiste généralement en :
1. la fabrication de la matière première : production de la résine thermodurcissable ou thermoplastique et production du renfort (carbone, aramide,. . . );
2. la création de semi-produits : production de pré-imprégnés et/ou de préformes;
3. la transformation du semi-produit : cuisson en autoclave, injection RTM . . . ;
4. la finition de la pièce transformée : détourage. . .

L’obtention d’une chaîne de production compétitive pour la transformation des matériaux composites hautes performance passe par le développement, l’optimisation et l’automatisation de chacune de ces étapes.

Dans cette optique, différents consortiums constitués d’industriels et d’académiques travaillent sur des projets de recherche sur ces thématiques et dans ce travail, nous nous intéressons à l’étape de transformation du composite et plus particulièrement à l’outillage utilisé pour la cuisson et la mise en forme du matériau.

Dans l’industrie aéronautique, le procédé historique utilisé encore actuellement est l’autoclave. Il garantit une excellente qualité des pièces structurelles composites mais est incapable d’absorber des cadences de production plus élevées à un coût compétitif. L’industrie aéronautique a donc fixé comme axe stratégique prioritaire de tendre vers des procédés « Low cost high volume » (LCHV) en ayant recours par exemple à des technologies Heat & Cool afin d’accroître ses capacités de production, de baisser ses coûts et surtout, d’accroître la souplesse de production. Par ailleurs, l’industrie aéronautique tend depuis quelques années à l’intégration croissante de matériaux composites thermoplastiques pour répondre à des problématique d’assemblage, de mise en oeuvre, de cycle de vie du produit. . .

Les procédés classiques d’injection plastique et composite, permettant la réalisation de pièces structurelles avec une cadence plus importante, consistent à injecter un polymère visqueux dans un outillage massif chaud, puis à éjecter la pièce. Ce type de procédé peut être utilisé en isotherme afin d’optimiser les cadences en évitant à l’outillage de cycler thermiquement, mais est à l’origine de déformations locales au niveau des éjecteurs et donc de défauts dans les pièces moulées : contraintes internes, mauvais aspect de surface. Il est également possible de faire cycler thermiquement l’outillage, pour réaliser notamment les cycles de polymérisation de la résine, mais cela se fait au détriment de la cadence et de l’énergie consommée.

Il existe à ce jour des systèmes Heat & Cool  qui permettent l’augmentation des cadences de transformation des composites. Cependant, cette amélioration des vitesses de chauffe et de refroidissement s’accompagne généralement d’une hausse des puissances thermiques en jeu et d’une diminution de la maîtrise spatio temporelle de la thermique dans la structure. Cette problématique étant fortement liée aux phénomènes de transferts thermiques dans la structure et à la conception généralement massive des outillages, il est primordial de faire évoluer les règles de conception de ces structures dans le but d’optimiser la thermique des outillages.

Par ailleurs, dans le cas d’outillages thermorégulés par un fluide caloporteur, le dimensionnement thermique fait généralement appel à des modèles éléments finis 3D qui couplent les phénomènes fluidiques et thermiques. La mise en place, la résolution et l’optimisation de tels modèles peuvent permettre l’obtention de résultats affinés avec la prise en compte des phénomènes d’advection  et du travail visqueux du fluide par exemple, mais s’avèrent nettement plus complexes et coûteux.

Dans ce contexte, l’enjeu du projet MATTE (Moule Autonome à Transfert Thermique Efficient) est double et consiste à :
— développer un concept d’outillage Heat & Cool, à faible inertie thermique et thermorégulé par un fluide caloporteur. Ce concept d’outillage doit ainsi être capable de réaliser la production haute cadence de structures composites hautes performances thermodurcissables et thermoplastiques à fibres continues;
— développer une chaîne complète et automatisée d’outils-métier numériques, peu coûteux, qui permettent le dimensionnement et l’optimisation thermomécanique de l’outillage à partir des données technologiques liées à l’environnement de fonctionnement.

Le cahier des charges fixé initialement par l’entreprise CT1  du groupe Compose et le laboratoire SYMME  , partenaires pour ces travaux de recherche, est le suivant : Le concept d’outillage MATTE se veut versatile et devra permettre différents modes de transformation en adaptant les choix matériaux/géométriques/technologiques, en fonction des attentes finales du client :
— L’injection RTM : injection de la résine sous pression dans l’outillage thermorégulé et qui contient le renfort sec;
— La consolidation in-situ : dépose des plis composites thermoplastiques chauffés par la tête de dépose et consolidation « sur place »;
— L’infusion (Out-of-Autoclave) : injection de la résine sous dépression dans l’outillage qui contient le renfort sec;
— La transformation de préimprégné : cuisson du préimprégné thermodurcissable ou thermoplastique dans l’outillage fermé, sous pression et thermorégulé.

Les performances thermiques visées pour le concept MATTE sont :
— Baisse de la consommation énergétique du système pour un cycle complet de transformation (chauffe, maintien en température, refroidissement) : de 50 à 80%;
— Augmentation des vitesses de chauffe et de refroidissement sur la surface moulante de l’outillage : jusqu’à 50°C.min−1 ;
— Diminution des coûts liés aux éléments périphériques de chauffe : diminution de la puissance de chauffe et de refroidissement, diminution de la quantité de fluide caloporteur. . .
— Maîtrise de l’homogénéité de température en surface de l’outillage et dans le stratifié : écart maximal de température ∆Tmax de 5 à 10°C.