Orientation de fibres discontinues dans la mise en forme de pièces en thermoplastiques

Un fluide contenant des particules solides est couramment qualifié de suspension. On retrouve ces systèmes dans les différents domaines de la physique et leurs applications industrielles sont nombreuses. Parmi ces suspensions, on s’intéresse dans cet article aux polymères thermoplastiques chargés de fibres discontinues. Contrairement aux matériaux composites structuraux, où les fibres continues sont alignées en fines couches ou tissées, les composites à fibres discontinues offrent une combinaison attrayante entre propriétés mécaniques, légèreté, faible coût et conception de pièces à géométries complexes.

La plupart de ces matériaux composites contiennent des fibres discontinues, généralement en verre ou en carbone, qui sont élaborées de différentes manières en fonction de leur longueur. Les granulés de matériaux à fibres courtes sont préparés en mélangeant par extrusion les fibres coupées (de longueurs moyennes inférieures à 1 mm) et la matrice en thermoplastique. Les matériaux à fibres longues sont obtenus en imprégnant le plus souvent par extrusion un faisceau de fibres continues avec la matrice en thermoplastique, puis en coupant ces fibres enduites à une longueur d’environ 12 mm pour produire des granulés. Ces différents granulés sont ensuite mis en forme avec des moyens conventionnels comme le moulage par injection ou par compression, l’extrusion ou la fabrication additive à l’aide notamment d’imprimantes 3D à dépôt de filament fondu. Pour les matériaux à fibres longues, l’écoulement dans les outillages réduit considérablement la longueur des fibres, mais des longueurs finales supérieures à 1 mm sont atteignables en prenant certaines précautions.

L’ajout de fibres discontinues à un thermoplastique est une opération courante car elle permet d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau. Ce renforcement dépend de l’orientation des fibres par rapport aux directions des sollicitations mécaniques subies par la pièce finale. Cette orientation des fibres dans la pièce est provoquée par l’écoulement du composite dans les outillages de mise en forme. L’ajout de ces particules modifie également le comportement rhéologique du système. En général, elles entraînent une augmentation de la viscosité mais aussi un changement des lignes d’écoulement, l’apparition d’un seuil d’écoulement et éventuellement des modifications du front de matière fondue. Pour comprendre, améliorer et maîtriser cette orientation, il est donc nécessaire de modéliser les mouvements des fibres quand le matériau composite s’écoule au sein d’un outillage de mise en forme.