Étude des élastomères pour la fabrication de membranes flexibles

Moulage par infusion

Le procédé par infusion de résine représente un procédé relativement économique, tout en permettant d’obtenir des taux volumiques de fibres supérieurs par rapport au moulage contact et moulage sous vide. Les techniques traditionnelles d’infusion ne permettent cependant pas une bonne répétabilité avec un manque de contrôle du procédé (Heider, 2012, p. 1). Ce procédé à moule fermé utilise une pompe à vide pour tirer la résine à travers les renforts fibreux. La différence de pression entre la pression atmosphérique dans le pot de résine et la pression de vide à la pompe génère la force requise afin que la résine s’infiltre dans les renforts (Milgram, 2005, p. 1). Une limite du procédé est reliée à la flexibilité des contresmoules qui ne permet pas de contrôler l’épaisseur des laminés.

Le procédé est cependant moins coûteux que les procédés RTM («resin transfer molding») qui permettent un contrôle d’épaisseur, avec deux outillages rigides. Toutefois, des coûts supplémentaires reliés aux outillages sont à considérer avec le RTM, nécessitant des volumes de fabrication plus élevés pour amortir les coûts d’outillages. De plus, le procédé d’infusion est généralement moins coûteux que les pré-imprégnés, principalement dû aux outillages et aux équipements générant des coûts supplémentaires requis avec ces technologies, tels que l’utilisation de four ou d’autoclave. La manipulation de tissus secs dans le procédé d’infusion par rapport à l’utilisation de tissus pré-imprégnés rend également le procédé plus simple avec plusieurs options d’optimisation. Plusieurs variantes du procédé d’infusion sont présentées dans la littérature. Le procédé d’infusion traditionnel a été inventé par Bill Seemann, sous le terme de SCRIMP («Seeman composites resin infusion molding process»), à la demande de l’armée américaine. Il a été breveté par la compagnie TPI technology et délivré le 20 février 1990 (Milgram, 2005, p. 2). La Figure 1.2 montre un schéma de fabrication du procédé d’infusion traditionnel.

Le procédé VARTM («vacuum assisted resin transfer molding») est un dérivé de ce procédé, de même que les procédés VARI («vacuum assisted resin infusion»), RIFT («resin infusion under flexible tooling») et LRI («liquid resin infusion») qui sont très similaires utilisant les mêmes principes de base. Des variantes ont également été développées pour optimiser les performances, par exemple le procédé CAPRI («controlled atmospheric pressure resin infusion»), breveté par Boeing, qui consiste à optimiser la variabilité de l’épaisseur en fonction du volume de fibres grâce à la compaction de la préforme et la pression pendant l’infusion. La Figure 1.3 présente le schéma du procédé CAPRI. Le procédé VAP («vacuum assisted process»), développé et breveté par le groupe EADS est un autre exemple de variante du procédé d’infusion. Ce procédé plus robuste que le procédé d’infusion traditionnel, consiste à utiliser une membrane perméable à l’air afin de faciliter le retrait des gaz et de l’air emprisonnés dans le montage, minimisant la formation de vides et de porosités. La Figure 1.4 présente le schéma de ce procédé.

Les procédés d’infusion sont utilisés pour une multitude d’applications et sont compatibles avec tous les types de fibres et de résines couramment utilisées. La pression de vide appliquée lors de l’infusion et de la polymérisation permet d’obtenir des volumes de fibres plus élevés par rapport au moulage contact. Le taux volumique de fibres atteignable par le procédé d’infusion varie dans la littérature, variant de 45 à 55 % (Beckwith, 2007, p. 2) et jusqu’à 65 %, dépendamment du type de fibres, de l’architecture du tissu et du type de résine (Milgram, 2005, p. 1). Les étapes du procédé traditionnel d’infusion consistent à déposer l’empilement de tissus dans le moule, recouvert d’un tissu d’arrachage permettant d’arracher les consommables de la surface de la pièce après la polymérisation de la résine. Un médium d’infusion avec une très grande perméabilité est ensuite déposé sur la surface, permettant à la résine de voyager facilement par-dessus les renforts, facilitant l’imprégnation. Le tout est recouvert d’une pellicule collée en contour, permettant une pression de consolidation et le maintien du vide pendant tout le cycle de polymérisation. Au niveau de la résine, la plage de viscosité typique et recommandée pour une utilisation dans le procédé d’infusion est de 50 à 1000 cP (Beckwith, 2007, p. 2).

Étude des élastomères pour la fabrication de membranes flexibles

Afin d’éliminer l’utilisation de films consommables, sources de plusieurs problèmes dans le procédé initial, une technologie de membrane flexible réutilisable est visée par l’amélioration du procédé. Une grande variété de produits et de compagnies offre des solutions pour la fabrication de membranes flexibles. Le silicone est le matériau le plus couramment utilisé et différentes variétés, avec des nomenclatures et des structures internes variées, sont disponibles sur le marché, comme expliqué par Moretto (2000). Le terme silicone est utilisé pour des composés dans lesquels des atomes de silicium sont liés par des atomes d’oxygène, où chaque atome de silicium porte un ou plusieurs groupes organiques. Pour des applications industrielles, ces ensembles organiques sont généralement un groupe de méthyle ou phényle. Le nom scientifique du silicone selon l’IUPAC («international union of pure and applied chemist») est le polyorganosiloxane. Ces structures polymères sont généralement décrites en utilisant les lettres M, D, T et Q selon le monomère qui les constitue. Les huiles de silicone sont liées à la lettre D. Les polymères de base pour les élastomères ou caoutchoucs sont d’unité D et rassemblent les groupes qui réticulent. La structure principale de la résine silicone fortement ramifiée représente l’unité T, souvent combinée à l’unité D (huiles de silicone) pour rendre le silicone plus flexible. Les silicones peuvent également contenir des unités Q et M. La Figure 1.11 présente les composés dans la structure des silicones avec leurs applications courantes.

Les silicones ont des propriétés qui varient selon leur composition d’où la multitude d’applications pour lesquelles ils sont utilisés. Dans le cadre de ce projet de recherche, ce sont les silicones flexibles de type élastomère et caoutchouc qui nous intéressent. Les polymères de silicone ont une faible température de transition vitreuse, une température de fusion équilibrée, une faible interaction moléculaire ainsi qu’une chaîne moléculaire très mobile (Moretto, 2000, p. 14). Ces propriétés les rendent particulièrement adaptés pour une utilisation flexible comme des caoutchoucs. Les polymères de silicone peuvent incorporer une grande variété de groupes fonctionnels et positionnés différemment dans la chaîne. La position dans la chaîne moléculaire ainsi que le type d’unité dans les groupes peuvent être facilement modifiés afin d’ajuster les propriétés selon l’application ciblée. Une large gamme de silicone peut ainsi être créée, notamment avec une flexibilité à température ambiante, pouvant même être flexible dans certains cas jusqu’à -70°C. Les viscosités peuvent également être adaptées facilement, ainsi que les tensions de surface, en modifiant le groupe méthyle dans la structure. Au niveau de la cuisson des silicones, ils réticulent, aussi appelé la vulcanisation, sous forme de solide utilisant différents systèmes de cure.

Les plus communs sont la réticulation par addition avec un catalyseur de type platine et par radicaux libres avec des peroxydes. Le Tableau 1.1 présente les différents types de réticulation communément utilisés, incluant les applications courantes, ainsi que quelques caractéristiques provenant de la littérature, selon Malczewski (2003), Moretto (2005) et Mosite (2007).

Techniques de modélisation des coûts

Plusieurs approches existent et sont présentées par différents auteurs pour analyser et estimer les coûts de fabrication d’une pièce en matériaux composites. Trois approches reviennent souvent dans la littérature: l’approche paramétrique, l’estimation analogique et l’approche appelée «bottom-up costing». Le choix du type d’approche pour analyser et estimer les coûts de fabrication d’une pièce en matériaux composites varie selon l’information spécifique et le type d’analyse qui est requis (Schubel, 2012, p.1). Selon l’approche choisie, des techniques qui reviennent souvent dans la littérature sont les techniques comparatives, les modèles de coûts de procédés, les modèles de coûts paramétriques, puis la simulation du flux de procédés, expliquées par Bader (2002), Schubel (2012) et Hutchinson (2011). Ces techniques peuvent servir de guide pour l’évaluation de coûts de fabrication, selon l’application et le niveau de connaissance. Dans le cadre de ce projet de recherche, une méthode comparative de type paramétrique sera utilisée pour comparer le procédé d’infusion traditionnel avec le nouveau procédé développé. La technique utilisée s’inspire de la technique TCM («technical cost modelling», présentée par Schubel (2012) et Hutchinson (2011). La TCM est une méthode paramétrique combinée à une simulation du flux du procédé qui est largement utilisée dans l’industrie. Cette technique requiert toutefois une connaissance raisonnable du procédé afin de créer un modèle viable. L’exactitude des données brutes entrées dans le modèle détermine l’exactitude du modèle. La TCM est conçue pour suivre la progression logique du procédé avec une série d’équations paramétriques à chaque niveau de détails disponibles. Cette technique utilise notamment le logiciel Excel et permet de comparer des procédés entre eux afin de faciliter la prise de décision.

Le modèle est séparé en plusieurs sections telles que l’outillage, l’équipement et le matériel, combinées aux variables de capacité de production, de main d’oeuvre, de durée de vie du programme, etc. Cette technique permet donc de considérer l’ensemble des coûts nécessaires à une comparaison exacte entre deux procédés.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Revue des procédés de fabrication de matériaux composites
1.1.1 Moulage sous vide
1.1.2 Moulage par infusion
1.2 Phénomène d’imprégnation dans le procédé d’infusion
1.2.1 Milieu poreux et mécanisme d’imprégnation
1.2.2 Prévention de la formation de vides dans le procédé d’infusion
1.3 Étude des élastomères pour la fabrication de membranes flexibles
1.4 Revue de noyaux en mousse pour la fabrication de constructions sandwiche
1.5 Modélisation des coûts de fabrication des matériaux composites
1.5.1 Définition des coûts
1.5.2 Variables de modélisation des coûts
1.5.3 Techniques de modélisation des coûts
1.5.4 Effet du volume de production
CHAPITRE 2 REVUE DU PROCÉDÉ À L’ÉTUDE
2.1 Revue globale
2.2 Description des matières premières
2.2.1 Tissus
2.2.2 Résine
2.2.3 Noyau
2.3 Étude de cas
2.3.1 Description de la pièce
2.3.2 Étapes de fabrication
2.3.3 Coût de fabrication
2.3.4 Résumé des coûts de fabrication
2.4 Analyse de la robustesse du procédé
2.5 Requis techniques imposés aux panneaux du cockpit
2.6 Synthèse
CHAPITRE 3 AMÉLIORATION DU PROCÉDÉ D’INFUSION
3.1 Étape de mise sous vide
3.1.1 Revue de la méthode initiale de mise sous vide
3.1.2 Nouvelle technologie de mise sous vide
3.1.3 Développement des contres-moules flexibles
3.1.4 Étude de contamination
3.1.5 Coût et retour sur l’investissement des membranes réutilisables
3.2 Construction sandwiche
3.2.1 Type de noyaux à l’étude
3.2.2 Évaluation des noyaux
3.2.3 Moulage des noyaux en mousse
3.3 Mécanisation du procédé
3.4 Effet de la post-cuisson sur les performances thermomécaniques
3.5 Synthèse
CHAPITRE 4 GAIN DU PROCÉDÉ D’INFUSION AMÉLIORÉ
CONCLUSION
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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