Physique du moulage des composites structuraux - 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, désalignement des fibres, sous-polymérisation des résines, contraintes internes…) ;

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

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 son impact environnemental 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 trois 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. Ils permettent de comprendre comment les paramètres du procédé et les caractéristiques des constituants affectent les propriétés finales des pièces composites. Historiquement ce sont les bureaux d'étude ou de calcul qui ont en premier fait usage de logiciels métier pour comparer des stratégies de fabrication, des choix de matériaux et ainsi apporter un support aux équipes de production. L'enjeu actuel est que des outils, méthodes, modèles, règles soient également utilisés directement dans les ateliers de fabrication pour :

• anticiper des difficultés pratiques réelles ;

• répondre de façon très interactive aux aléas de production ;

• optimiser des techniques de moulage des composites ;

• définir la meilleure stratégie de surveillance des procédés (mesure de pression, température, etc.) ;

• réduire les temps de mise au point des procédés.

Ainsi, ce type d'approche permet de remplacer progressivement l'empirisme très fortement ancré dans l'univers des ateliers de fabrication par des règles quantitatives prédictives.

L'objet de cet article est de présenter les principaux phénomènes impliqués dans les procédés de moulage des composites structuraux à matrice polymère et de proposer une description mathématique simplifiée qui découle directement des grands principes physiques adaptés aux milieux fibreux hétérogènes et anisotropes. Les composites structuraux désignent des polymères thermoplastiques ou thermodurcissables renforcés de fibres continues. Le moulage recouvre les technologies où les écoulements de polymère jouent un rôle important dans la fabrication de la pièce.