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L’utilisation sans cesse croissante des matériaux composites à base de résine thermodurcissable et de renfort fibreux, a permis le développement de procédés de fabrication comme le procédé Resin Transfer Molding (RTM). Cette technologie consiste à injecter à basse pression une résine dans un moule à l’intérieur duquel un renfort fibreux a préalablement été disposé. Le matériau subit ensuite un cycle thermique destiné à faire durcir la résine par réticulation.
Présentation du procédé Resin Transfer Molding
L’utilisation des matériaux composites est en pleine expansion et génère un grand nombre de procédés de fabrication. Nous aborderons dans ce chapitre la technologie du procédé Resin Transfer Molding, ses avantages et ses inconvénients. Nous présenterons ensuite les phénomènes physiques complexes qui interviennent dans certaines étapes de la fabrication. Une compréhension et une modélisation efficace de ces phénomènes apportent une contribution importante à la maîtrise du procédé RTM.
Les matériaux composites à fibres
L’appellation matériau composite à fibres regroupe les matériaux comprenant deux composants: des fibres qui apportent au composite leurs remarquables propriétés et une matrice qui sert à les envelopper. Bien que les matériaux composites soient souvent présentés comme nouveaux et révolutionnaires, il est possible d’en trouver partout dans la nature, que ce soit dans le monde végétal ou dans le monde animal. Une multitude de matériaux naturels, les uns rigides mais légers, comme les os (fibres de collagène/apatite), les autres souples mais résistants, comme le bois (fibres de cellulose/lignine) doivent leurs propriétés mécaniques à leur structure composite. Ainsi la fabrication et l’utilisation des matériaux composites sont fondées sur des principes déjà exploités par la nature. Les fibres constituent une forme exceptionnellement résistante de la matière, et la famille des matériaux composites à fibres met à profit les hautes propriétés mécaniques de ces fibres, et souvent leur faible densité, en les enveloppant dans une matrice pour constituer une nouvelle classe de matériaux. Des matrices organiques comme les résines sont souvent utilisées. Par leur caractère organique, les matériaux composites sont alors peu sensibles à la corrosion. Ils ont un excellent comportement en fatigue, la propagation des dommages est lente et les possibilités de réparation sont nombreuses.
L’association de la grande légèreté et des bonnes propriétés mécaniques permet d’alléger les structures. Par rapport aux pièces métalliques, les pièces en matériaux composites sont plus légères de 15 à 45 %. Pour ces raisons, les composites ont connu un essor remarquable dans l’industrie aéronautique. Toutefois, leurs comportements sont souvent très différents de ceux habituellement rencontrés (vieillissement, conduction électrique et thermique, comportement aux chocs…), et impose un traitement spécifique par l’intermédiaire d’un système d’assurance qualité particulier.
Fabrication des matériaux composites
La réalisation d’une pièce en matériau composite consiste à associer la matrice avec les fibres et à donner forme à la pièce. Les premiers matériaux composites à fibres fabriqués par les hommes datent de l’Egypte Pharaonique. Des briques étaient réalisées à partir d’argile mêlée à de la paille séchée. Le matériau obtenu était ensuite moulé puis séché au soleil. Depuis, de nombreux procédés de fabrication de pièces en matériaux composites ont été développés. Ces technologies ont presque toujours en commun la fabrication simultanée du matériau et de la pièce, ce qui offre une très grande souplesse à la conception mais est aussi à l’origine de difficultés supplémentaires puisqu’il faut dans la même opération garantir la qualité du matériau et la géométrie de la pièce.
Actuellement, la plupart des pièces aéronautiques structurales réalisées en matériaux composites sont mises en forme par moulage en autoclave. Il s’agit d’abord d’empiler des renforts préimprégnés de résine sur un moule ne comportant qu’une surface d’empreinte. L’empilement ainsi réalisé est compacté et le durcissement de la résine est assurée dans un autoclave par une montée en température et en pression. Ce procédé présente de nombreux avantages: des outillages simples et peu onéreux et un bon contrôle de tous les paramètres du procédé. Cette technique est bien adaptée pour des pièces planes et de grandes dimensions, mais la productivité est faible et une seule face de la pièce est contrôlée géométriquement.
C’est pourquoi une autre technologie, le procédé Resin Transfer Molding (RTM), est également utilisée. Ce procédé consiste à injecter à basse pression une résine dans un moule à l’intérieur duquel un renfort fibreux a été préalablement disposé. L’origine du RTM en tant que procédé de fabrication est contrairement aux apparences plus ancienne que la mise en œuvre des préimprégnés. Le RTM est issu du procédé MARCO qui date des années 1930. L’utilisation d’une approche RTM pour la réalisation de pièces composites est toutefois très récente dans l’industrie aéronautique. Depuis une vingtaine d’années, les renforts, les matrices, les techniques de préformage, les équipements d’injection et la modélisation se sont améliorés et ont favorisé le développement de ce procédé.
Avantages et inconvénients du procédé RTM
Le procédé RTM présente un certain nombre d’avantages par rapport aux autres procédés de mise en forme de matériaux composites.
• Des pièces très complexes peuvent être réalisées. L’intégration de certaines fonctions (nervures, raidisseurs…) réduit directement les coûts liés à l’assemblage de ces composants.
• Les dimensions de la pièce finie ainsi que le taux de fibres sont directement contrôlés par la cavité du moule.
• Il est possible de produire des pièces qui nécessitent très peu d’opérations de finition.
• Les phénomènes qui amènent à la création de porosités ou de zones sèches sont quelque peu différents de ceux qui existent dans le moulage des préimprégnés. Avec une bonne maîtrise du procédé, il est courant d’obtenir des taux de porosité nuls.
• Le procédé est très souple du point de vue technique et économique: la sophistication et le prix des équipements dépend des cadences prévues et de la qualité du résultat souhaité.
• L’état de surface reproduit directement celui du moule.
• Le cycle de cuisson est plus simple que pour les tissus préimprégnés.
• Le procédé est de plus en plus automatisable.
• Les coûts de réfrigération pour le stockage des préimprégnés sont supprimés. L’achat de tissu sec est également plus avantageux. De façon générale, les coûts récurrents sont plus faibles que pour les pièces réalisées en préimprégnés.
• Le RTM est un procédé à moule fermé ce qui diminue les émissions de produits nocifs comme le styrène. Ceci est très avantageux dans le contexte normatif Européen.
• De nombreux types de renforts et une grande variété de systèmes de résine peuvent être utilisés.
Le procédé RTM a toutefois plusieurs inconvénients qu’il ne faut pas ignorer:
• Une mauvaise maîtrise du procédé conduit à une mauvaise imprégnation du tissu qui peut être causée par des mécanismes différents qui ne sont pas toujours aisés à identifier (porosités résiduelles).
• Les coûts fixes sont plus importants que pour la mise en œuvre des préimprégnés, car les moules sont plus complexes. La rentabilité du procédé nécessite donc un volume de production minimum.
• Une sous estimation de l’importance de la qualité des outillages est à l’origine d’un grand nombre de défauts géométrique, de problèmes d’étanchéité…
• Le temps de cycle est trop long pour les cadences très élevées.
• La modélisation n’est pas assez développée pour contribuer à une optimisation et à une commande efficace du procédé.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. PRÉSENTATION DU PROCÉDÉ RESIN TRANSFER MOLDING
1. LES MATÉRIAUX COMPOSITES À FIBRES
2. FABRICATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES
3. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU PROCÉDÉ RTM
4. APPLICATIONS DU PROCÉDÉ RTM
5. TECHNIQUE DE MISE EN OEUVRE DU PROCÉDÉ RTM
5.1 Composants du procédé
5.2 Mise en œuvre du procédé
5.3 Problèmes rencontrés et intérêt de la modélisation
6. MODÉLISATION DU PROCÉDÉ
6.1 Présentation de l’écoulement dans un renfort fibreux
6.2 Présentation détaillée des objectifs de l’étude et de son cadre général
6.3 Perméabilités
6.4 Thermique
6.5 Optimisation
CHAPITRE 2. MESURES DES PERMÉABILITÉS DANS LA DIRECTION PERPENDICULAIRE AU RENFORT
1. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES TECHNIQUES DE MESURES
1.1 Mesures en régime permanent
1.2 Mesures par suivi du front
2. DESCRIPTION DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL
3. DÉTERMINATION DE LA PERMÉABILITÉ
4. ETALONNAGE DE LA MESURE
4.1 Mesure de la viscosité du fluide
4.2 Mesure des pertes de charges du montage
5. ETUDE DE L’ÉCOULEMENT DANS LE RENFORT
5.1 Influence de la géométrie des grilles
5.2 Influence des effets de bord
6. MESURES ET RÉSULTATS
7. CONCLUSION
8. APPLICATION À L’INJECTION D’UN PANNEAU AUTORAIDI
CHAPITRE 3. MESURE DES PARAMÈTRES THERMOPHYSIQUES ET RHÉOLOGIQUES
1. PRÉSENTATION DES MATÉRIAUX
2. DÉTERMINATION DE LA RHÉOLOGIE DE LA RÉSINE
3. MESURE DES CHALEURS SPÉCIFIQUES
3.1 Principe du calorimètre différentiel à balayage
3.2 Mesures effectuées et résultats
4. DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES CINÉTIQUES
5. MESURES DES CONDUCTIVITÉS THERMIQUES
5.1 Détermination de la diffusivité thermique de la résine en cours de transformation
5.2 Mesures des conductivités thermiques perpendiculaires λz du composite
6. CONCLUSION
CHAPITRE 4. MESURE DES CONDUCTIVITÉS THERMIQUES PLANES
CONCLUSION
