tp composite: atelier plasturgie 2

COURS: Procédés de transformation des

composites

TP composite: Atelier plasturgie 2

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Chapitre V

Les composites

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• DÉFINITION

LE MATÉRIAU COMPOSITE EST UN ASSEMBLAGE D'AU MOINS DEUX

MATÉRIAUX NON MISCIBLES. LE MATÉRIAU AINSI CONSTITUÉ POSSÈDE

DES PROPRIÉTÉS QUE LES ÉLÉMENTS CONSTITUTIFS SEULS NE

POSSÈDENT PAS.

MATÉRIAU CONSTITUÉ D’AU MOINS UN RENFORT ET D’UNE MATRICE

•RENFORT : FIBRE D’ORIGINE MINÉRALE, ORGANIQUE OU VÉGÉTALE QUI

ASSURE LA RÉSISTANCE AUX EFFORTS ET PARTICIPE À LA RIGIDITÉ

•MATRICE : RÉSINE QUI ASSURE LA FORME DE LA PIÈCE, LA TENUE DES

FIBRES ET LA TRANSMISSION DES EFFORTS

•DES ADDITIFS PEUVENT ÊTRE INCORPORÉS POUR AMÉLIORER LA

RÉSISTANCE AU FEU, DIMINUER LE RETRAIT, MODIFIER LA COULEUR…

Les composites

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Les composites

Les matériaux composites sont habituellement

classés en trois grandes familles, selon la nature

chimique de la matrice :

- composites à matrice organique (CMO)

- composites à matrice métallique (CMM)

- composites à matrice céramique (CMC)

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Les composites

Les sigles

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Matrices et renfortsMatrices et renforts

Il existe pour les CMO deux grandes familles de matrices : les résines thermodurcissables et les résines thermoplastiques

• Thermodurcissables (TD)

Ces résines, sous forme liquide à l’état initial, subissent une

transformation irréversible en passant à l’état solide après

polymérisation.

On distingue deux familles de résine TD :• polyesters, les plus utilisées, sont généralement renforcées par

des fibres de verre (pare-chocs, carrosserie, coques de bateaux,

piscines, éléments de tramway ou de TGV…)

• epoxydes, aux caractéristiques mécaniques supérieures, sont

généralement renforcées par des fibres de carbone ou de verre

(longerons (poutre), bateaux et automobiles de compétition…) 6

Unsaturated Polyester Resin

• Thermoplastiques (TP)

Ces résines, sous forme,

• à l’état initial, de granulés,

•de fibres courtes, longues

•ou de plaques sont réutilisables avec cependant des

difficultés de séparation de la matrice et des fibres.

• A l’inverse des thermodurcissables, c’est la matière

première déjà polymérisée qui subit un échauffement, la

pièce conservant sa forme après refroidissement.


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Il existe deux types de renforts :

• Les fibres courtes

Elles sont utilisées, avec les thermoplastiques (TP),

pour les pièces de petite taille moulées par injection et aux

caractéristiques mécaniques réduites (cache-culbuteurs,

tubulures d’admission, pales de ventilateur…).

Avec les thermodurcissables (TD), elles sont utilisées pour des

températures supérieures à 150° C.


8cache-culbuteurs

tubulures d’admission

• Les fibres longues

Associées à une matrice polyester (TD),

elles sont réservées aux pièces de grande diffusion

(le ski, planche de surf…)

Associées à une matrice époxy, les fibres longues sont

réservées aux pièces nécessitant des performances

élevées (rampe accès de l’avion de transport militaire,

renforts de pont…) La résistance mécanique, la rigidité et la tenue aux chocs

croissent en fonction de la longueur des fibres et, bien

évidemment, en fonction de leur orientation et du taux de

renforcement..


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Le tableau 1 présente les propriétés mécaniques de quelques composites

unidirectionnels et alliages métalliques. Les composites sont à fibres parallèles

avec un taux volumique de renfort d’environ 60 %.

2. Propriétés

2.2 Comparaison avec les métaux

2. Propriétés

2.2 Comparaison avec les métaux

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On distinguera :

• les matériaux composites dits de “grande diffusion GD” dont les propriétés

mécaniques sont plutôt faibles mais d'un coût compatible avec une production

en grande série ;

• les matériaux composites dits “hautes performances HP”, présentant des

propriétés mécaniques spécifiques élevées et un coût unitaire important. Ce sont

les plus employés en aéronautique et dans le spatial.

3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites

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Composition du verre :E = électriqueR ou S = haute résistance mécanique

Classification schématique des types des composites


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Exemples d’application

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Application Type : Coupe d’un ski

19Présence d’amortisseurs de vibration (VAS) en caoutchouc

VERREVERRE

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Stratifils (ou roving)

Le roving est un Assemblage de fils de

base parallèles groupé sans torsion.

Cette forme de matériaux ne

s’applique qu’à quelques procédés

comme l’enroulement filamentaire et la

pultrusion. Avec ces procédés, on peut

fabriquer des tubes et des profilés

extrêmement résistants.

Stratifils bouclés (ou spun roving)

Une partie des fils de base ou des filaments

constitutifs forme des boucles.

Les boucles améliorent la résistance

interlaminaire des composites

Moulage par pultrusion

VERREVERRE

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Fils coupés

Fils de base coupés en longueur relativement

faibles (3, 4, 5, 6, 12 et 25 mm)

Moulage au contact, renforcement des

résines thermoplastiques par

extrusion/injection et le renforcement des

BMC)

Fibres broyées

Elle sont obtenus par broyage de fils de

base (0,1 à 0,5 mm).

Renforcement des résines

thermoplastiques, R-RIM

VERREVERRE

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Mats

Le mat se présente SOUS FORME PLANAIRE comme un tissu mais l’orientation des

fibres est aléatoire. Les fibres sont maintenues ensemble par un liant. Dans un mat, les

fibres peuvent êtres continues ou coupées.

Mats à fils coupés (50 mm)

Mats à fils continus

4. Méthodes de mise

en œuvre spécifiques

4. Méthodes de mise

en œuvre spécifiques

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4. Méthodes de mise en œuvre spécifiques4. Méthodes de mise en œuvre spécifiques

•Nous avons vu que la plupart des matières thermoplastiques pouvaient être

chargées avec des fibres courtes de verre ou de carbone.

• On renforce de préférence de cette façon les polymères qui sont destinés à

des applications techniques : PA, poly(oxyméthylène) POM, PAS,

(polyarylsulfone), PES (polyéthersulfone)... Ces matériaux peuvent être injectés,

extrudés avec le matériel, les outillages et les techniques employés

habituellement avec les plastiques non chargés.

• Par contre, des techniques originales ont été élaborées pour la mise en

œuvre de composites à fibres longues. La description de ces méthodes

spécifiques occupe évidemment une place importante dans la rubrique «

Composites ».

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4.1 Moulage au contact4.1 Moulage au contact

• une couche de surface (gel-coat renforcé ou non d’une nappe de

fibres) est placée sur un moule enduit d’un agent de démoulage.

• Des couches de renforts (mat, tissu) sont disposées

successivement sur le moule ; chaque couche est imprégnée de

résine catalysée jusqu’à obtention de l’épaisseur désirée.

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On utilise des moules en bois, en métal... mâles ou femelles sur lesquels on

dépose successivement :

— un agent de démoulage : PVAL (poly(alcool vinylique)), cire, couche mince de

graisse (moule métallique)... ;

— le gel coat chargé de gel de silice, un voile d’un tissu léger acrylique ou

polyester ;

— les couches de tissu ou de mat choisies ;

— la résine accélérée et catalysée que l’on verse sur les renforts et dont on

chasse les bulles à l’aide d’un rouleau spécial dont l’emploi oblige les fibres à

pénétrer dans la résine.

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Applications

Parmi les pièces ainsi réalisées, les plus nombreuses sont les bateaux de

plaisance, monocoques et multicoques. Mais c’est aussi ce procédé qui est

utilisé pour la fabrication des coques de chasseurs de mines de cinquante

mètres de long.

Le moulage au contact est également utilisé pour la fabrication de piscines,

de toboggans, de capots de machines-outils ou de matériel agricole, de

carrosseries de voitures de sport ou de compétition, de cabines de

téléphériques, etc.

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toboggans


Vidéo : n°01

moulage au contact:

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4.2 Projection simultanée4.2 Projection simultanée

Cette technique est comparable à la précédente. Dans cette

méthode, un pistolet alimenté (dans le cas des UP) avec de la

résine catalysée est utilisé conjointement avec un pistolet

identique qui projette de la résine accélérée. De la fibre coupée

est expédiée dans la zone où les flux se rejoignent (figure 6).

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Applications

Les pièces réalisées par projection sont les coques pour bateaux

de plaisance, les piscines, les pièces de capotage, les fonds de

cuve de grand diamètre, les baignoires avec peau acrylique, etc.

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Vidéo : n°02

Projection simultanée

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Les deux méthodes précédentes conduisent à des pièces qui

ont une seule face définie par le moule. L’obtention de pièces

lisses sur leur deux faces peut résulter du moulage par

compression. Dans un moule chauffé monté sur une presse, on met le renfort sous forme de tissus et/ou de mats empilés, on verse la résine et on ferme la presse.

Le même résultat peut être obtenu en mettant dans le moule, un

mat préimprégné ou SMC (Sheet Molding Compound).

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4.3 Compression à chaud de mat préimprégné SMC (un mat préimprégné ).4.3 Compression à chaud de mat préimprégné SMC (un mat préimprégné ).

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Moulage à la presse voie sèche SMC : moulage sous presse à chaud, de

préimprégné SMC (Sheet Moulding Compound ) en nappes prédécoupées,

constitué de renfort (par exemple, 20-30 % de mat de verre) imprégné par une

résine chargée, catalysée et inhibée (l’inhibiteur est détruit par la chaleur du

moule).

Applications Ce procédé, qui a démarré industriellement par la fabrication de coffrets de

branchement électrique

Pour citer quelques exemples : pare-chocs, capots, couvercles de coffres, toits

ouvrants, coffrets électriques, carters de machines électroniques et électriques,

baignoires, sièges de stade ou de cinéma, etc.

Le développement actuel dans l’automobile s’oriente davantage vers la

réalisation de pièces de structure que de pièces de carrosserie.


sièges de stade

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Fabrication de SMC (Sheet Molding Compound)

film de support

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Vidéo n°03:

1. Compression à chaud de mat préimprégné SMC

2. Fabrication de SMC (Sheet Molding Compound)

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4.4 RTM (Resin Transfer Molding)4.4 RTM (Resin Transfer Molding)

Le matériel comporte le dispositif d’injection et de dosage de la résine, un

moule avec une partie mâle et une partie femelle montées sur une presse. Le

renfort est introduit dans le moule sous forme de mats, de tissus ou de

préformes et la résine est injectée.

Moulage par injection basse pression de résine liquide

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4.4 RTM (Resin Transfer Molding)4.4 RTM (Resin Transfer Molding)

Vidéo n°04:

RTM (Resin Transfer Molding)

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4.5 Pultrusion4.5 Pultrusion

Des fibres continues, des tissus, des tresses, des voiles, des

mats... peuvent passer dans un bain d’imprégnation (UP, EP...) pour

être ensuite guidés et introduits dans une filière chauffée qui donne

la forme à un profilé qui subit ensuite un postétuvage.

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Vidéo n° 05 :

Pultrusion

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4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)

Cette technique peut être continue ;

il s’agit alors de l’enroulement en

hélice, d’un renfort imprégné de

résine autour d’un mandrin complexe

qui permet au profilé tubulaire

d’avancer en continu.

L’enroulement est circonférenciel,

hélicoïdal ou polaire.

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Vidéo n°06:

Enroulement filamentaire

(Filament Winding)

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4.7 R-RIM et S-RIM 4.7 R-RIM et S-RIM

• Avec les procédés R-RIM et S-RIM (moulage par injection avec

réaction et renfort), • les résines les plus employées sont des polyuréthannes ou des

polyamides modifiés. Dans tous les cas, ce sont des produits

bicomposants, purs ou contenant une charge minérales.

Le renfort est placé dans le moule : verre, carbone, aramides ou

hybrides intraplis sous toutes les formes possibles (mats, fibres

coupées, tissus...).

Les deux composants sont dosés,

mélangés et injectés dans le moule

où se fait l’imprégnation

et le durcissement avant démoulage.

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4.7 R-RIM et S-RIM 4.7 R-RIM et S-RIM

•Variante RRIM (Reinforced RIM ) : un composant est renforcé de

fibres courtes.

•Variante SRIM (Structural RIM ) : une nappe de fibres (mat ou

tissu) a préalablement été déposée dans le moule.

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Les Stratifiés

5. Les structures composites 5. Les structures composites

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Les Sandwichs

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Les Sandwichs

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FIN

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