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COURS: Procédés de transformation des
composites
TP composite: Atelier plasturgie 2
1
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
3
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.
Matrices et renfortsMatrices et renforts
7
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.
Matrices et renfortsMatrices et renforts
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..
Matrices et renfortsMatrices et renforts
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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
11
Composition du verre :E = électriqueR ou S = haute résistance mécanique
Classification schématique des types des composites
3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
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3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
Exemples d’application
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3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
Exemples d’application
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3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
Exemples d’application
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3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
Exemples d’application
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Exemples d’application
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3. Classification des Matériaux Composites3. Classification des Matériaux Composites
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
23
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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4.1 Moulage au contact4.1 Moulage au contact
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.
26
4.1 Moulage au contact4.1 Moulage au contact
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.
27
toboggans
4.1 Moulage au contact4.1 Moulage au contact
Vidéo : n°01
moulage au contact:
28
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).
29
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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4.2 Projection simultanée4.2 Projection simultanée
Vidéo : n°02
Projection simultanée
31
4.2 Projection simultanée4.2 Projection simultanée
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.
4.3 Compression à chaud de mat préimprégné SMC (un mat préimprégné ).4.3 Compression à chaud de mat préimprégné SMC (un mat préimprégné ).
sièges de stade
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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 ).
Fabrication de SMC (Sheet Molding Compound)
film de support
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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 ).
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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4.5 Pultrusion4.5 Pultrusion
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4.5 Pultrusion4.5 Pultrusion
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.
42
4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)
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4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)
44
4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)
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4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)4.6 Enroulement filamentaire (Filament Winding)
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
50
Les Sandwichs
51
FIN