Vue d'ensemble de la technologie de prototypage rapide en matériaux composites

Il existe aujourd'hui de nombreux procédés de fabrication de structures composites qui peuvent être appliqués à la production de diverses structures. Toutefois, compte tenu de l'efficacité de la production industrielle et des coûts de production dans le secteur aérospatial pour les avions civils, il est urgent d'améliorer le processus de durcissement afin de réduire les délais et les coûts du processus de durcissement. La technologie de prototypage rapide offre une approche peu coûteuse, le moulage discret et par empilement, qui a fait ses preuves à de nombreuses reprises. Les technologies de prototypage rapide par pressage des moules, de formage des liquides et de formage des composites thermoplastiques sont souvent utilisées.

Technologie de prototypage rapide par moulage

La technologie de prototypage rapide par moulage est une méthode dans laquelle des ébauches préimprégnées sont placées dans des moules pour être densifiées et durcies par pressurisation thermique ; la vitesse de moulage est rapide ; la précision de la taille du produit et une qualité uniforme peuvent être assurées par cette technique ; la technologie d'automatisation permet une production de masse à des coûts réduits de pièces structurelles composites en fibre de carbone dans les domaines de l'aviation civile.

Principales étapes du moulage :

1. Se procurer un moule métallique très résistant correspondant parfaitement aux dimensions des pièces à produire ; le placer dans une presse, le chauffer et fermer son couvercle.
2. Façonner et préformer le matériau composite requis en fonction de son moule. Le préformage est une étape intégrale qui améliore les performances de la pièce finie.
3. Glisser la pièce préformée dans un moule chauffé. Une fois chauffée, la pièce est comprimée sous très haute pression, entre 800 psi et 2000 psi selon l'épaisseur de la pièce et le type de matériau utilisé (typiquement entre 800 psi et 2000 psi selon l'épaisseur) jusqu'à ce que la pression se relâche ; après quoi les pièces sont retirées du moule dès qu'elles ont refroidi, en prenant soin d'éliminer les bavures.

Avantages du moulage par compression :

Le moulage par compression est devenu une technologie de prototypage rapide de plus en plus populaire en raison des nombreux avantages qu'il offre. Le principal d'entre eux est l'utilisation de matériaux composites qui tendent à être plus solides, plus légers et plus résistants à la corrosion que les pièces en métal, créant ainsi des objets aux propriétés mécaniques supérieures à celles de leurs homologues métalliques.

Le moulage par compression offre un autre avantage distinct par rapport au moulage en continu. moulage par injection de plastiqueLe moulage par compression permet de produire des pièces complexes. Bien que sa vitesse de production n'atteigne pas celle du moulage par injection, le moulage par compression permet d'obtenir des formes plus géométriques que les composites stratifiés et d'utiliser des fibres plus longues qui rendent les matériaux plus résistants. Il s'agit d'une étape intermédiaire entre le moulage par injection de plastique et les procédés de fabrication de composites stratifiés.

Processus de moulage SMC

Le SMC est l'acronyme de Sheet Molded Compound, un composite artificiel formé par moulage de feuilles. Ses principales matières premières comprennent des fils spéciaux SMC, des résines insaturées avec des additifs à faible retrait et des charges ainsi que divers additifs - apparus pour la première fois en Europe au début des années 1960. À partir de 1965, les États-Unis et le Japon ont fait progresser cette technologie de manière indépendante, avant que la Chine n'introduise à la fin des années 80 des lignes de production et des procédés de pointe pour le SMC en provenance de l'étranger.

Le SMC possède d'excellentes propriétés électriques, une résistance à la corrosion, un poids léger, une souplesse de conception, des conceptions techniques simples et flexibles et des propriétés mécaniques comparables à celles de certains matériaux métalliques ; il trouve donc de nombreuses applications dans les secteurs du transport, de la construction et de l'électronique.

Processus de moulage BMC

En 1961, le composé de moulage en feuilles à base de résine insaturée (SMC) mis au point par Bayer Corporation en Allemagne a été lancé. Dans les années 1960, on a commencé à promouvoir le bulk molding compound (BMC), également connu sous le nom de DMC (dough molding compound) en Europe. À ses débuts (dans les années 1950), il n'était pas épaissi ; cependant, selon la définition des États-Unis, le BMC est un BMC épaissi. Après avoir accepté la technologie européenne, le Japon a réalisé de grandes avancées dans l'application et le développement du BMC. Dans les années 1980, la technologie avait atteint une grande maturité. Jusqu'à présent, la matrice utilisée dans le BMC a toujours été la résine de polyester insaturé.

Le BMC appartient aux plastiques thermodurcissables. En fonction des propriétés du matériau, la température du tonneau du moulage par injection La température de la machine ne doit pas être trop élevée, car elle doit faciliter l'écoulement de la matière. C'est pourquoi il est important de contrôler la température du cylindre pendant le processus de moulage par injection du BMC. Un système de contrôle doit être mis en place pour garantir une température appropriée, de sorte que la température de la section d'alimentation à la buse atteigne un niveau optimal.

Moulage avec du poly(dicyclopentadiène) (PDCPD).

Le moulage du poly(dicyclopentadiène) (PDCPD) est généralement composé de matrasse pure plutôt que de plastiques renforcés, tels que le polyuréthane (PU). Le moulage PDCPD est apparu pour la première fois en 1984 sous sa forme actuelle aux États-Unis et au Japon, qui ont été les pionniers de cette technologie.

La société Telene de Zeon Corporation, située à Bondues, en France, a obtenu un succès remarquable dans la recherche, le développement et la commercialisation des principes de moulage du PDCPD (RIM). Vous trouverez ci-dessous une représentation schématique de leur principe de moulage en PDCPD (RIM).

Les processus de moulage RIM sont généralement plus faciles et plus rentables à automatiser que d'autres techniques telles que la pulvérisation de FRP, le RTM ou le moulage SMC ; les coûts d'outillage pour les moules RIM PDCPD ont tendance à être inférieurs à ceux de leurs homologues SMC ; par exemple, le moule du capot du Kenworth W900L utilise une coque en nickel avec un noyau en aluminium moulé qui contient une résine de faible densité avec une densité de 1,03 ; cela réduit non seulement les coûts, mais aussi le poids.

Formage stratifié direct de composites thermoplastiques renforcés de fibres (LFT-D)

Vers 1990, le LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics-Direct) a été introduit sur le marché en Europe et aux États-Unis. CPI, une société américaine, est la première entreprise au monde à développer un équipement de moulage de thermoplastiques renforcés de fibres longues en ligne et la technologie de prototypage rapide correspondante (LFT-D, Direct In Line Compounding). Elle a été mise en service commercial en 1991 et est le leader mondial dans ce domaine. Diffenbarcher, une société allemande, a commencé à faire des recherches sur la technologie LFT-D en 1989.

À l'heure actuelle, il existe principalement des technologies de LFT D, de LFT sur mesure (le renforcement local peut être réalisé en fonction des contraintes structurelles), de LFT-D à surface avancée (surface visible, haute qualité de surface). Du point de vue de la chaîne de production, le niveau de presse de Diffenbarcher est très élevé. Le système d'extrusion D-LFT de Coperion, une société allemande, occupe une position de leader au niveau international. Le processus de préparation du composé de moulage LFT-D est illustré dans la figure ci-dessous.

Technologie de fabrication de pièces moulées sans modèle (PCM)

La fabrication de pièces moulées sans modèle (PCM) est développée par l'Institut de recherche et de développement de l'Union européenne (IRU). Prototypage rapide au laser Center de l'université de Tsinghua. Il applique la technologie du prototypage rapide aux processus traditionnels de moulage en résine et en sable. Tout d'abord, un modèle CAO de la pièce est obtenu à partir du modèle CAO. Le fichier STL du modèle CAO du moule est découpé en tranches pour obtenir des informations sur le profil de la section, puis des informations de contrôle sont générées à partir des informations sur les couches.

Pendant le moulage, la première buse pulvérise avec précision l'adhésif sur le sable superposé à chaque couche, sous le contrôle d'un ordinateur, et la seconde buse pulvérise le catalyseur le long de la même trajectoire. L'adhésif et le catalyseur réagissent ensemble, durcissant le sable couche par couche et l'accumulant pour lui donner une forme. Le sable où l'adhésif et le catalyseur agissent ensemble est solidifié, tandis que les autres parties du sable restent à l'état de granulés.

Après le durcissement d'une couche, la couche suivante est collée, et une fois toutes les couches collées, on obtient une entité spatiale. Le sable original dans les zones où aucun adhésif n'est pulvérisé reste du sable sec, qui est relativement facile à enlever. En éliminant le sable sec non durci au milieu, on obtient un moule d'une certaine épaisseur de paroi, qui peut être utilisé pour couler du métal après avoir revêtu ou imprégné de peinture la surface intérieure du moule.

La température de durcissement typique du processus PCM est d'environ 170°C. La pose à froid et le démoulage à froid utilisés dans le procédé PCM sont légèrement différents du moulage. La pose et le démoulage à froid consistent à déposer progressivement des couches de pré-imprégnés sur le moule en fonction des exigences de la structure du produit lorsque le moule est à l'extrémité froide, puis à fermer le moule à l'aide de la presse de formage une fois la pose terminée afin d'obtenir une certaine pression.

À ce stade, la machine à température du moule est utilisée pour chauffer le moule, généralement de la température ambiante à 170°C, avec une vitesse de chauffage de 3-5°C/min, qui peut être ajustée en fonction des différents produits. La plupart de ces produits sont en plastique. Lorsque la température de la technologie de prototypage rapide atteint la température définie, la préservation de la chaleur et le maintien de la pression sont lancés pour effectuer le durcissement à haute température du produit. Une fois le durcissement terminé, la température du moule doit être ramenée à la température ambiante à l'aide d'une machine à température de moule, avec une vitesse de chauffage de 3 à 5 °C/min, puis le moule peut être ouvert pour l'extraction des pièces.

Technologie de mise en forme des liquides

La fabrication de composites liquides (LCM) fait référence à un ensemble de technologies de formation de composites dans lesquelles des préformes de fibres sèches sont d'abord assemblées dans des cavités de moule fermées avant que la technologie de prototypage rapide de résine liquide sous pression ne soit introduite dans ces cavités, infiltrant chaque fibre par des infiltrateurs à pression et remplissant lentement l'espace avec des fibres. Par rapport au moulage en autoclave, le LCM offre de nombreux avantages, notamment la production de pièces de dimensions précises et de formes complexes à des coûts de fabrication inférieurs et avec une plus grande opérabilité par rapport aux moules en autoclave.

HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding) est un procédé de moulage par transfert de résine sous haute pression en pleine évolution. moulage par insertion Cette technique utilise une pression élevée pour contre-mélanger et injecter de la résine dans des moules étanches au vide, chargés de matériaux renforcés de fibres et d'inserts pré-insérés, suivis d'un remplissage par flux de résine, d'une imprégnation, d'un durcissement et d'un démoulage afin de produire des produits composites. En réduisant les temps d'injection, il devrait permettre de réduire considérablement les délais de fabrication tout en produisant des pièces à haute teneur en fibres et à hautes performances.

Le procédé de moulage HP-RTM est l'un des nombreux procédés de moulage de composites largement utilisés dans plusieurs industries. Il offre les avantages d'une technologie de prototypage rapide tels que des coûts réduits, des temps de cycle courts et une production de pièces de qualité (bonne qualité de surface des pièces par rapport aux procédés RTM traditionnels). Par conséquent, cette technique est largement utilisée par les industries automobile, navale et aéronautique, ainsi que par les installations de production de machines agricoles, les réseaux de transport ferroviaire et les centrales éoliennes, entre autres.

Technologie de moulage des composites thermoplastiques

Récemment, les composites thermoplastiques sont devenus un élément central de la recherche sur la fabrication des composites, tant au niveau national qu'international, en raison de leurs avantages en matière de technologie de prototypage rapide : résistance élevée aux chocs, ténacité, tolérance aux dommages et bonne résistance à la chaleur. Le soudage des composites thermoplastiques devient une méthode clé pour augmenter l'efficacité de la production tout en réduisant les coûts. simultanément la réduction des coûts ; le constructeur aéronautique Collins Aerospace estime que les structures thermoplastiques soudables sans autoclave pourraient réduire les cycles de fabrication 80% plus rapidement que les composants métalliques et composites thermodurcissables.

L'utilisation des matériaux les plus appropriés et en quantité minimale, le choix de la technologie de prototypage rapide comme processus le plus économique, le placement du produit à l'endroit approprié, la réalisation de l'objectif de conception prédéterminé et l'obtention du rapport performance-coût idéal pour le produit sont toujours les efforts des praticiens des matériaux composites. On pense que d'autres procédés de moulage seront développés à l'avenir pour répondre aux exigences de conception de la production.