Quelles sont les étapes de base pour transformer les fibres de carbone en produits ?

Amélioration des procédures de préparation et de stratification des rouleaux de fibres de carbone

Stratification de précision : dévidage, découpe et alignement des rouleaux de fibres de carbone

Obtenir un déroulement correct est essentiel au succès de l’ensemble du système. Les systèmes à tension contrôlée contribuent à prévenir la déformation et les dommages aux fibres pendant leur alimentation dans la machine. En ce qui concerne la découpe, la découpe ultrasonique, contrairement à la découpe par ciseaux, permet d’obtenir des bords propres, sans effilochage ni endommagement thermique. Les guides laser assurent l’alignement des fibres individuelles avec une variabilité n’excédant pas 0,5 degré. Pourquoi cela est-il important ? Dans la plus récente édition du « Composites Journal », les chercheurs ont indiqué, sur la base de leur analyse, qu’un désalignement d’un seul degré entraînerait une réduction de 7 % de la résistance à la traction. Lorsque la stratification présente une géométrie complexe, comme un contour tridimensionnel, des robots spécialisés appliquent l’adhésif de manière à maintenir l’alignement des couches pendant le transfert vers la surface de travail suivante. Plusieurs autres facteurs doivent également être maîtrisés, tels que la gestion de l’électricité statique afin d’empêcher les fibres de s’envoler, ainsi que le contrôle de l’humidité relative à moins de quarante pour cent afin d’éviter une absorption prématurée d’humidité par les résines.

Les ouvriers examinent le motif tissé rétroéclairé afin de vérifier sa régularité avant de verser des matériaux dans les moules.

Estimation comparée des procédés WET Lay-Up, Prepreg et RTM : adaptation de la technique au formage à froid des rouleaux de fibre de carbone et au niveau de production

La meilleure méthode de consolidation varie selon les critères de performance, de volume et de coût.

Nécessite une cuisson en autoclave

Dans le procédé de stratification humide (Wet Lay Up), la résine est appliquée manuellement sur des rouleaux de fibre de carbone sèche, ce qui en fait la méthode la mieux adaptée aux formes nécessitant des constructions complexes. Le volume de production est toutefois généralement faible. Le coût moyen des outillages pour ce type de procédé est typiquement inférieur de 80 % à celui des méthodes de moulage par transfert de résine (RTM). Les préimprégnés (prepregs) présentent un avantage certain par rapport à la stratification humide, notamment en raison d’une plus grande uniformité des pièces finales et de meilleures propriétés mécaniques globales. Cette uniformité provient du fait que la résine est déjà imprégnée dans la fibre lors de la fabrication des préimprégnés. Toutefois, la fabrication des préimprégnés exige un stockage réfrigéré spécial, ainsi qu’une manipulation particulière, relativement complexe, tout au long du processus de fabrication. Néanmoins, dans le cas du RTM, les fabricants font également face à une complexité inhérente à la méthode : les polymères doivent être forcés, sous pression, à circuler à travers des fibres sèches (fibres non imprégnées) au sein de la géométrie fermée des moules, ce qui entraîne des teneurs excessives en vides d’air et une très faible reproductibilité de l’imprégnation résine/fibres entre plusieurs lots. Cela signifie que, après l’investissement initial dans les moules, l’un des facteurs limitatifs les plus importants est la dépense supérieure à 500 000 dollars nécessaire pour disposer de jeux complets de moules. Ce seuil d’investissement élevé contribue également à expliquer pourquoi la plupart des petites entreprises évitent d’utiliser le RTM et privilégient plutôt des techniques de fabrication moins complexes.

Sélection des systèmes de résine et optimisation du durcissement pour l’intégration de rouleaux en fibre de carbone

Pourquoi les résines époxy sont la référence absolue pour le traitement des rouleaux structuraux en fibre de carbone

Une adhérence exceptionnelle, une stabilité thermique élevée et un contrôle précis du procédé font des résines époxy la référence absolue pour les applications structurelles impliquant des rouleaux en fibre de carbone.

Résistance interlaminaire au cisaillement :

- essentielle pour les stratifiés porteurs de charge, supérieure à 65 MPa.

- température d’utilisation adaptée aux secteurs aérospatial et automobile haute performance, jusqu’à 180 °C (356 °F).

- des cycles de durcissement étapes permettent de réduire les contraintes résiduelles et la formation de microfissures.

Des analyses gravimétriques ont montré qu’un rapport résine/fibre maintenu entre 35 et 40 % en masse permet de limiter la teneur en vides à moins de 2 % et de satisfaire aux exigences de l’essai de traction ASTM D3039. Considérations relatives au coût, au temps de durcissement et à la compatibilité des rouleaux en fibre de carbone avec les alternatives polyester et vinylester

Bien que l’époxy offre la norme la plus élevée, les concurrents offrent les marges les plus importantes, soit en termes de coût, soit en termes de taux de production :

Type de résine | Coût relatif par rapport à l’époxy | Température maximale d’utilisation | Compatibilité avec les rouleaux de fibre de carbone

Polyester | 60 à 70 % moins cher | 80 °C (176 °F) | Modérée – sujette au gonflement osmotique

Vinylester | 40 à 50 % moins cher | 100 °C (212 °F) | Élevée – excellente résistance chimique

La polymérisation à température ambiante du vinylester s’effectue en 2 à 4 heures, ce qui est nettement plus rapide que les 12 à 15 heures nécessaires pour l’époxy, permettant ainsi une prototypage rapide et la fabrication de panneaux non structuraux. La perte de résistance à la compression de 15 à 20 % est souvent largement compensée. Dans de nombreux cas, pour les ponts marins ou les panneaux destinés aux carrosseries automobiles, l’évitement de cette perte de résistance à la compression permet des économies de matériaux supérieures à 25 $/m² tout en conservant la fonction requise.

Conception des moules et outillages pour une fabrication fiable de rouleaux de fibre de carbone

Exigences relatives aux matériaux, à la finition de surface et à la stabilité thermique pour le moulage par roulement de fibres de carbone

Les performances d'un moule dépendent de la synergie de trois facteurs : la résistance du matériau, la durabilité de la surface et la stabilité de la température ; ces trois éléments combinés déterminent les performances d'un moule prototype. À cet égard, un prototype peut être réalisé en acier à outils, en raison de son rapport coût/performance. Pour des séries de production prolongées, il est possible d’appliquer un revêtement de carbure afin de renforcer structurellement le moule et d’allonger son cycle de production. Grâce à un soutien structurel stable à haute température et sous fortes contraintes, des alliages spécifiques au nickel, tels que l’Invar, constituent un choix privilégié pour la fabrication de moules destinés aux composants aérospatiaux, en raison de leur faible coefficient de dilatation thermique. Cette caractéristique des alliages Invar minimise la dilatation thermique du moule aux températures fixées, évitant ainsi toute déformation du moule causée par les réactions thermiques et chimiques des résines avec l’époxy.

L'état de surface doit être aussi réfléchissant que possible, idéalement inférieur à 0,4 micron Ra. Cela garantit que les fibres ne s'accrocheront pas pendant le traitement et que les pièces se démouleront facilement sans défauts de surface ni micro-déchirures. Un éventage correct des bords, stratégiquement placé, est essentiel pour éviter les poches d'air, notamment pendant la polymérisation exothermique de la résine. Cela est également crucial pour prévenir la formation de poches de résine fibreuse dans les rouleaux en carbone. Enfin, la conception des moules doit assurer une stabilité dimensionnelle comprise entre –0,1 mm et +0,1 mm à 180 °C. Cette ingénierie de précision est indispensable pour tous les fabricants sérieux de composites.

Notions fondamentales de maîtrise du procédé : Contrôle qualité dans la fabrication de rouleaux en fibre de carbone

Techniques de mise sous vide (« vacuum bagging »), d’application de patins de pression et de débulage pour la production de stratifiés de rouleaux en fibre de carbone exempts de vides

La première étape consiste à établir un vide. Chaque couche du composite est placée sous une housse souple, dans un sac, et une pression négative de 25 à 29 pouces de mercure est appliquée afin d’éliminer l’air des couches. Le déclenchement de l’étape de pression positive, comprise entre 14 et 100 psi (livres par pouce carré), constitue davantage une étape de compactage qui modifie le rapport fibre/résine du composite, puisque le volume de résine ( {m}_{resin}​ ) diminue. L’élimination des défauts, en particulier des vides, résulte de la combinaison de plusieurs facteurs. L’entraînement d’air dans les couches humides de résine est tout d’abord perturbé ou rompu à l’aide d’un rouleau de débulking. Ensuite, des couches spéciales de tissu, appelées « breathers » (ou « tissus drainants »), évacuent la résine indésirable (généralement époxy) des couches vers des orifices de collecte de résine désignés. Enfin, afin de garantir que la quantité de résine susceptible de contaminer les couches ou de former des vides soit aussi faible que possible, le système est configuré avec des couches « bleeder » (ou « absorbantes ») qui captent la résine avant l’étape finale de finition de celle-ci.

Il est essentiel de maintenir la teneur en vides en dessous de 2 %. Une teneur plus élevée en vides réduit la résistance interlaminaires au cisaillement de plus de 35 %. L’utilisation de systèmes de surveillance de la pression et de détection automatique des fuites améliore la fiabilité et l’uniformité de la consolidation du stratifié de rouleaux en fibre de carbone, ce qui est particulièrement important dans les zones épaisses ou irrégulières.

Section FAQ

Quels sont les avantages de l’utilisation de rouleaux en fibre de carbone ?

Grâce à une résistance et une stabilité inégalées, la fabrication sur rouleau permet de réaliser des formes complexes et un alignement précis.

Quel est l’avantage de la technique de pose humide ?

La technique de pose humide est supérieure pour les prototypes et les formes complexes, mais elle convient moins bien à la production de masse que les procédés RTM et préimprégnés.

Pourquoi utilise-t-on de l’époxy dans les composites ?

L’époxy constitue le meilleur choix en raison de son adhérence, de sa stabilité et de sa résistance interlaminaires au cisaillement par rapport au poids de la structure, et il est donc indispensable pour la fibre de carbone.

Quelle est la fonction de l’emballage sous vide dans la fabrication des stratifiés en fibre de carbone ?

Le placage sous vide assure un joint étanche et une pression négative permettant d’éliminer les poches d’air et de former uniformément les stratifiés, sans aucune inclusion d’air.