AAP 1996 : Elaboration de composites à matrice organique

Les technologies clés

Matériaux

Elaboration de composites à matrice organique

Fiche Technologie-clé n : 86

VERSION 3

Présentation de la technologie
Objectifs de la technologie
Environnement technologique

Un composite à matrice organique est composé d'une matrice polymère et d'un renfort pouvant se présenter sous forme de : particules, mats, fibres courtes, longues ou continues... Renforts les plus courants : les fibres. La matrice polymère peut être thermodurcissable (TD, durcit à la chaleur) ou thermoplastique (TP, fond à la chaleur). Suivant les caractéristiques de la matrice et la structure du renfort, on distingue les composites : de grande diffusion et hautes performances (renforcés de fibres continues en verre, carbone, aramides...). Le renfort le plus courant est la fibre de verre discontinue. Les composites TP renforcés de mats de verre (GMT), de grande diffusion, sont très utilisés en automobile.

Techniques mises en oeuvre

Actuellement, plus des 2/3 de la mise en oeuvre des composites se fait à la machine. Elle est plus ou moins automatisée suivant le degré de performance recherché.

Composites de grande diffusion (renforcés par mat de verre) : R-RIM ou S-RIM (injection-réaction en moule fermé ou ouvert) ; RTM (pressage basse pression avec injection de résine) ; SMC, BMC ("bulk moulding compound", "sheet moulding compound"), injection-transfert ; pultrusion ; enroulement filamentaire. Ces technologies s'appliquent aux polyesters insaturés, aux résines phénoliques et époxy renforcés par fibres de verre. Sont mis en oeuvre par injection les TP renforcés de fibres de verre suivants : polyamides, polypropylène, PET-PBT et polycarbonate.

Pour les composites haute performance : R-RIM/S-RIM, RTM, enroulement filamentaire pour les matrices TD, injection pour les matrices TP renforcées de fibres de verre, carbone ou aramide. Estampage TRE (thermoplastique renforcé estampable) : analogue au forgeage des métaux, part de semi-produits sous forme de plaques, cadence suffisamment élevée pour l'automobile, mais il reste à obtenir une bonne qualité de surface. Le thermoformage (formage à chaud) est un procédé industriel très utilisé pour mettre en forme des composites TP, avec des variantes selon que l'on utilise une presse pour former le matériau entre deux matrices ou que l'on utilise le vide ou une pression hydrostatique pour coller la plaque fondue contre le moule. Autre procédé : mise en forme sous vide, moins rapide. Le drapage autoclavé des composites TP haute performance reste long et onéreux. Pour les composites haute performance, la plupart des procédés sont encore manuels.

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

recherche d'allégement des matériaux de structure ; amélioration des propriétés des plastiques ; gains de productivité en cours à travers la mécanisation et l'automatisation des procédés de fabrication.

Fonctions remplies :

réduction du poids, résistance à la fatigue, réduction des coûts de maintenance et de fabrication des pièces de structure pour les automobiles, avions, missiles, véhicules spatiaux, ponts, bâtiments, derricks de pétrole et autres structures. Amélioration de la résistance à la fatigue.

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

les métaux et alliages métalliques, les plastiques techniques renforcés. A l'arrivée des composites, les matériaux plus traditionnels ont été fortement améliorés. Dans l'automobile en particulier, l'acier a atteint une très haute productivité, avec une production de carrosseries entièrement automatisée de la bobine à la structure de la caisse assemblée. Concurrence de l'aluminium sur le terrain de la légèreté et de la recyclabilité. Cependant, les propriétés spécifiques de résistance aux chocs et d'indéformabilité avantagent nettement les composites renforcés de tissus par rapport aux tôles.

Evolutions technologiques :

Parmi les objectifs techniques majeurs : automatisation des procédés pour réduire les temps de cycle, réduire les coûts, créer des arrangements tridimensionnels et des tissages complexes des fibres de renfort. Amélioration constante des matières premières et des produits semi-finis (à la base de l'industrialisation). Pour les matrices TD, on assiste à un développement des résines de type phénoliques, polyuréthanes... Côté TP, recentrage sur un plus petit nombre de matrices, les principales demeurant les polyamides et le polypropylène. Semi-produits : matériaux prêts à l'emploi (granulés de TPR à fibres courtes ou longues, plaques de TRE, préimprégnés BMC ou SMC). Autre axe : intégration d'outils logiciels de conception et de simulation notamment pour optimiser la répartition des renforts dans la matrice en fonction de l'application et prédire les propriétés et la fiabilité des composites. Egalement : incorporation de capteurs directement dans des structures composites pour surveiller leur état de santé, afin de certifier la fiabilité des matériaux aux ingénieurs et fabricants qui sont plus familiers des matériaux traditionnels.

On cherche aussi à améliorer les conditions de polymérisation des composites TD par effet diélectrique, micro-ondes, irradiation ou ionisation, et les techniques de découpe sont plus performantes grâce au laser CO2 et au jet d'eau hyperbar. Des progrès également du côté des contrôles non destructifs par thermographie ou holographie.

Encore des problèmes d'adhésion à l'interface fibre-matrice pour les fibres longues ou continues, des problèmes d'usinabilité, de finition de surface, de mise en forme (glissement de fibres) et de tenue à l'humidité.

Programmes de recherche :

Aux Etats-Unis, l'Advanced Technology Program soutient depuis 1994 un programme intitulé "Manufacturing Composite Structure" prévu sur 5 ans avec un budget total de 160 millions de dollars (25 millions de dollars la première année), financé par des industriels fournisseurs de matériaux, fabricants de pièces, utilisateurs finaux concevant des véhicules plus légers et des plates-formes de forage pour puits de pétrole profonds. L'objectif de développement de procédés compétitifs de fabrication est considéré aux Etats-Unis comme l'évolution majeure à promouvoir dans l'industrie des composites. En tout, en 1994, 207 millions de dollars y ont été consacrés par neuf sources fédérales à la recherche sur les composites, dont seule une petite partie est destinée à des marchés commerciaux, la plus grande étant orientée vers l'aérospatial et le militaire.

Au niveau européen, le développement de composites et de nouveaux procédés d'élaboration de ces matériaux relève du domaine 2 "Matériaux et technologies pour l'innovation des produits", doté de 566 MECU (près de 4 milliards de francs), dans le cadre du programme Brite-Euram III "Technologies industrielles et des matériaux" 1994-1998.