Développement de composites thermoplastiques optimisés par placement personnalisé de fibres

Sirris est impliqué dans un projet européen dont l'objectif est de développer un nouveau concept de composite à géométrie complexe et optimisée. Il repose sur la combinaison de plusieurs technologies, depuis le placement personnalisé des fibres pour réaliser la préforme jusqu'à la fabrication du moule par formage incrémental de tôle.

Le développement des thermoplastiques renforcés de fibres s'est fortement accéléré au cours des dernières années car ces matériaux offrent une résistance aux chocs et une ténacité élevées, des cycles de mise en œuvre courts et une bonne recyclabilité.

Sirris a acquis au fil du temps une grande expertise dans ces matériaux.

Pour aboutir à l’optimisation des ressources et à la rentabilité d'une chaîne de fabrication complète, il est indispensable de se pencher, dans une approche holistique, sur l’optimisation de la distribution des fibres, la production d’outils et le procédé de formage. Ainsi, les répercussions de chaque étape individuelle peuvent être identifiées et prises en compte.

Récemment, un projet Cornet (Tailcomp) a été mené avec deux centres allemands, l'IPF à Dresde et le Fraunhofer IWU à Chemnitz pour combiner les avantages des composites thermoplastiques avec ceux de technologies de fabrication innovantes.

Un premier démonstateur a été choisi pour valider les concepts : une selle de vélo de course. Sirris, par son implication dans les tests de vélo pour l’UCI, a pu fournir des informations sur les modes de sollicitation de ce produit.

L'imprégnation des fibres par des thermoplastiques est difficile en raison de la viscosité à l'état fondu de la matrice, si bien qu'une des façons de procéder est de mélanger les fibres TP et de renfort. L'IPF a produit dans le cadre du présent projet des fils combinant polybutylène téréphtalate (PBT) et fibres de verre pour obtenir des performances mécaniques élevées. Avec ce matériau, le centre a réalisé des préformes textiles par une technique de TFP (Tailored Fibre Placement) inspirée de la broderie et qui consiste à déposer des fibres avec l'orientation requise par l'application, en fonction des forces qui s'exerceront sur le produit en service. 

Pour consolider ces préformes, le Fraunhofer IWU a réalisé des moules à la fois légers et peu coûteux par une technique de formage incrémental dont le principe est de déformer localement une tôle pour la mettre en forme progressivement par une opération de repoussage.

Sirris a mis en œuvre dans son autoclave les différentes préformes sur les moules sous pression et température. Il a pu constater que le matériau se conformait beaucoup plus facilement à la géométrie souhaitée que lorsque le renfort était un textile tissé classique, dont la formabilité beaucoup moins bonne nécessitait de nombreux essais avant d'arriver à un résultat.

Une difficulté supplémentaire à maîtriser est la température relativement élevée de mise en oeuvre du PBT qui pose divers problèmes technologiques, notamment en ce qui concerne les consommables qui eux aussi doivent résister aux mêmes conditions.

Sirris a également mesuré avec un scanner 3D les écarts entre les produits moulés et la CAO de ceux-ci et a prouvé que 80% venait du moule et 20% du moulage (retraits…).

Ces travaux indiquent ainsi clairement les interactions entre toutes les étapes de la chaîne de fabrication d'un composite thermoplastique. Certaines d'entre elles sont déjà bien connues dans l'industrie des thermodurcissables, mais lorsque les technologies sont plus "physiques" (température…) que "chimiques" (réticulation), ce sont d'autres effets qui doivent être maîtrisés.

Le traitement par autoclave est connu pour permettre la production de pièces 3D complexes, mais cette solution est coûteuse. Une deuxième phase du projet consiste maintenant à mettre en œuvre les même préformes dans un procédé de sac à vide, qui augmentera la performance économique tout conservant les propriétés mécaniques du produit final.

Un second démonstrateur, avec d'autres niveaux de complexité, est également prévu. Il s'agira d'une orthèse médicale réalisée à partir d'une préforme "sur mesure" configurée sur un moule de plâtre à usage unique.

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