Physique du moulage des composites avancés : aspects théoriques

Les composites à matrice polymère n’existent pas à l’état naturel, il faut donc les fabriquer. Derrière cette affirmation simple se cache une réalité complexe forte de conséquences pour ces matériaux. En effet, en raison de la grande diversité des résines, renforts et additifs et de la grande liberté de forme et de taille offerte, ces matériaux s’avèrent être extrêmement polyvalents puisqu’ils peuvent être façonnés en ajustant leurs propriétés aux exigences spécifiques d’une application. Cette flexibilité introduit tout de même une contrepartie. Plus que tout autre matériau, les composites requièrent une intégration étroite des connaissances des matériaux constitutifs, à l’étude des procédés de fabrication et aux performances des pièces obtenues. Bien que les propriétés des composites soient principalement déterminées par celles de ses constituants, l’expérience prouve que leur mode d’élaboration influe de façon significative sur leur niveau de performance et ceci d’au moins deux façons :

• par la génération d’imperfections de moulage plus communément désignées sous le terme de défauts qui altèrent les performances de la pièce (porosités, contraintes internes...) ;

• par la modification des paramètres définis en phase de conception de la pièce composite (orientation et distribution des fibres, état de polymérisation de la résine...).

La technologie de fabrication constitue donc un maillon essentiel dans la chaîne de conception – fabrication de la pièce composite. Elle prend ainsi une grande part dans la croissance des composites de par les coûts qu’elle génère, sa capacité à transformer des pièces techniques de taille plus ou moins grande, sa souplesse d’utilisation, les cadences qu’elle autorise et sa reproductibilité. Le choix d’un procédé de fabrication est également guidé par le respect de l’environnement et des conditions de travail et par l’adéquation au besoin technique.

Un facteur clé de développement des technologies, et donc des composites, est la capacité de développement de procédés qui satisfont aux exigences du marché visé. Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses technologies ont été développées pour répondre aux marchés de grande diffusion et de haute performance. Bien que l’empirisme ait souvent accompagné les premiers pas de ces technologies, les progrès les plus importants sont venus de l’effort de compréhension et de modélisation des phénomènes physiques associés à ces procédés. Des modèles plus ou moins sophistiqués ont été élaborés sur la base de connaissances qui restent encore partielles mais néanmoins suffisantes pour aider les ingénieurs et techniciens à mettre en place des technologies robustes. Ainsi, ce type d’approche a permis de remplacer progressivement l’empirisme très fortement ancré dans l’univers des ateliers de fabrication par des règles quantitatives prédictives. Les bénéfices sont :

• l’anticipation des difficultés pratiques réelles ;

• l’optimisation des techniques de moulage des composites ;

• le meilleur contrôle de la technologie.

L’objet de cet article est de faire un état des principaux phénomènes impliqués dans les technologies de mise en œuvre des composites avancés à matrice polymère et d’en donner une description mathématique simplifiée qui découle directement des grands principes physiques.

La dénomination « composite avancé » fait référence aux matériaux élaborés à partir de résine thermodurcissable (polyester, vinylester, époxyde...) et de fibres continues (verre, carbone, aramide...) qui constituent le squelette de la structure.