Technologies de production

Technologies de production

Il existe plusieurs technologies de production de matériaux composites qui seront choisies selon l'application et les performances désirées.

Pultrusion

Procédé « continu » (un des rares parmi les différents modes de transformation existants pour les composites), la pultrusion est une technologie permettant la production de profilés composites.

Contraction du verbe « to pull » (tirer) et d’extrusion, ce procédé, apparu après la seconde guerre mondiale, concurrence – voire complète – les technologies de filage de l’aluminium, d’extrusion des résines thermoplastiques, de profilage des métaux et aussi celui du bois. Si la pultrusion ne représente que 2 à 3% du marché mondial des composites, soit 200 à 300 000 tonnes de matières transformées par an, elle est certainement aujourd’hui une des technologies de production les plus prometteuses en termes de développement.

 

Profilé pultrudé spécifique

La pultrusion offre en effet les spécificités suivantes :

Des combinaisons quasi infinies de couples renforts/matrices laissant libre court à l’imagination des concepteurs et conférant aux produits finis des propriétés extrêmement variées. Des taux de renforts pouvant atteindre 70% en masse, à l’orientation bien maîtrisée, garantissant aux profilés des caractéristiques mécaniques de tout premier plan. La possibilité de créer aisément des géométries même complexes, cela à coûts réduits vu le degré d’automatisation du procédé et le faible besoin de main d’œuvre pour ces opérations de transformation.

Description du procédé

Les renforts sous forme de roving, mat, tissus de verre, fibre de carbone, kevlar, basalte ou autre, après imprégnation avec une matrice polymère (résine, charges minérales, pigments, additifs), passent à travers une station de préformage qui configure la stratification nécessaire pour donner au profilé les propriétés voulues. A partir des préformés, les renforts imprégnés de résine passent à travers un moule réchauffé où la résine polymérise.

Schéma de la filière pultrusion

Le mécanisme de traction, distancé correctement pour permettre au produit de se consolider après la sortie du moule pour éviter des ruptures ou des déformations dues à la pression de préhension, peut se composer d’un système chenillé ou de deux chariots alternés afin d’assurer une traction continue sur le profilé. Le profilé solide obtenu est ainsi prêt à être automatiquement coupé sur mesure.

Etant un processus continu, la pultrusion est particulièrement adaptée, technologiquement et économiquement, à une production à grande échelle ou en série.

La pultrusion telle que décrite est possible avec deux types de matrice polymérique: thermodurcissable (polyester, vinylester, époxy, acrylique, etc.) et thermoplastique (polyuréthane Fulcrum® et polypropylène Twintex®).

La seule différence au niveau du processus réside dans le fait que la pultrusion thermoplastique utilise un deuxième moule en aval du premier pour le refroidissement, le calibrage de produit et l’application du revêtement ou coating. Le choix de la technologie à adopter sera fonction des caractéristiques intrinsèques des matériaux et des paramètres imposés par le projet.

Pullwinding

Mariage entre la pultrusion et l’enroulement filamentaire, le pullwinding est une technologie employée pour la réalisation de profilés à la géométrie relativement simple, avec une section de révolution uniquement (tubes ronds, voire carrés ou rectangulaires).

Un dispositif rotatif qui supporte des bobines de fils vient cercler les fibres longitudinales tirées par la machine de pultrusion (placée en aval). Tels des satellites en orbite, ces fibres s’enroulent autour de celles tirées longitudinalement, venant ainsi renforcer transversalement ces profilés dits pullwounded.

Schéma de la filière pullwinding

Le pullwinding, avec sa capacité d’orienter très précisément les fibres selon 2 axes quasi-orthogonaux, confère aux profilés d’excellentes propriétés mécaniques, en particulier pour des tubes de faibles épaisseurs :

  • Amélioration des propriétés transversales, avec ses corollaires telles les performances au cisaillement et en tenue à la pression
  • Amélioration des propriétés en flexion en repoussant à des valeurs de contraintes plus élevées le phénomène de flambement local sur des parois de faibles épaisseurs
  • Les applications typiques concernent la fabrication de tubes structuraux à hautes performances (perches, tubes télescopiques, bâtons de ski…).

Pultrusion des résines thermoplastiques

Si le principe général s’apparente à la technologie de transformation des thermodurcissables, les différences sont très nombreuses et distinguent nettement ce procédé de son « aïeul ». Beaucoup plus récent (bien que de multiples études et essais datent de plusieurs décennies maintenant), ce procédé n’a, pour le moment, jamais connu le développement industriel et commercial qu’on lui promet.

La première difficulté rencontrée, chronologiquement comme techniquement, est celle de trouver des couples matrices / renforts performants en termes de caractéristiques physico-mécaniques. En effet, la plupart des résines standards sur le marché n’offrent, une fois renforcées de fibres (verre en particulier), que de médiocres performances mécaniques, cela à un prix beaucoup plus élevé que celui de profilés extrudés en matière non renforcée : l’intérêt est alors très faible voire nul.

Pourtant l’intérêt pour ces matrices thermoplastiques est grandissant, pour les raisons suivantes :

  • L’important potentiel en termes de sélection de matrices, tant sur les plans techniques qu’économiques, avec une gamme allant des plastiques de « commodités » tels les polyoléfines (PE, PP – le matériau de l’automobile), les vinyles (comme les PVC, très courant dans le secteur du BTP), jusqu’aux plus « techniques » comme les polyuréthanes, polyamiques ou polyacétal, voir même aujourd’hui pour leurs caractéristiques « extrêmes » les polyamides ou le « PEEK », associés au verre ou au carbone pour des applications de niche très coûteuses.
  • Leur aptitude potentielle à être retravaillées à chaud : déformation (pliage, cintrage, rétreint, expansion), surmoulage en co-extrusion thermo-soudage, etc.
  • Le caractère réputé plus « sympathique pour l’environnement » des thermoplastiques (TP) par rapport aux thermodurcissables (TD), ce qui reste cependant à prouver tant ces problématiques sont vastes et complexes à appréhender tout au long du cycle de vie d’un produit.

A ce jour, seules quelques rares matrices ont réellement permis la production de profilés, le Fulcrum ® en particulier, dérivé du polyuréthane.

 

Co-extrusion

Un profil thermoplastique peut être revêtu, ou plus généralement complété dans ses fonctions par une (ou deux, voire trois) étape(s) dite de coextrusion. Rien de particulier à ce niveau en termes de process, le matériel est bien connu des extrudeurs plastiques.

Pour des raisons de compatibilité chimique (plus facile de retrouver ou de créer des liens moléculaires entre deux thermoplastiques qu’en thermodurcissables et thermoplastiques) et de vitesse homogène, on pultrude les plastiques à des vitesses plus proches de l’extrusion. En ce sens, la pultrusion thermoplastique se distingue nettement de la transformation des thermodurcissables.

Formage à chaud

Avant le refroidissement, le profilé pourra être « travaillé à chaud » :

  • Réalisation d’empreintes sur la surface, au moyen de molettes
  • Déformation sur un axe différent de l’axe longitudinal (estampage en ligne, vrillage en continu, etc)
  • Marquage à chaud

Co-extrusion et formage à chaud sont deux fonctionnalités essentielles de la pultrusion thermoplastique : elles ajoutent des potentialités inespérées, des degrés de liberté inconnus jusqu’alors et une réelle valeur d’usage supplémentaire par rapport aux profilés composites thermodurcissables, et plus encore par rapport aux matériaux plus « traditionnels » (métaux comme plastiques).

Pour raisonner « composites », il faudra absolument penser et associer, concevoir dès le départ, matériaux et procédé de transformation.

Avantage : coupe et usinage en ligne

Potentialités

Parmi les exemples très significatifs des potentialités offertes par les thermoplastiques, on citera une visserie composite (brevetée par Fulcrum®). La tige est issue de pultrusion, puis surmoulée d’un filet haute ténacité. Elle est ensuite post-formée par cintrage à chaud. Les écrous sont quand à eux injectés avec la même matrice polyuréthane thermoplastique (TPU).

Chiffres clés et particularités du procédé

On retiendra :

  • Des dimensions et masses linéiques des profilés transformés encore limités à ce jour à des profilés de faibles sections (moins de 1kg/ml) et des géométries plutôt simples
  • Des taux de renforts élevés et des caractéristiques mécaniques remarquables avec certaines matrices (les composites verre/polyuréthane Fulcrum® égalent et dépassent même sur certains critères les performances des verres/epoxy)
  • La liberté offerte aux concepteurs de profilés multi-matières

Moulage

Notre savoir-faire et notre expertise en matériaux composites nous permettent d’assurer la conception de pièces moulées en composites pour des applications de tout horizon.

De nombreux procédés de production en moulage existent pour la réalisation de pièces sur-mesure industrialisées :

  • moulage au contact
  • moulage par projection simultanée
  • moulage par injection RTM
  • moulage par infusion
  • compression SMC
  • injection BMC

Les diverses technologies de moulage offrent de très grandes possibilités de formes et dimensions pour des pièces présentant de bonnes propriétés mécaniques.

De la petite à la moyenne série, avec des coûts d’outillages et de fabrication de moules assez faibles.

Quelques applications : habillage intérieur, mobilier urbain, pièces industrielles, carrosserie, cuves…

Technologies de moulage « basse pression »

Les renforts (fibres de verre, carbone, aramide, fibres végétales…etc) sont en ce cas imprégnés par une résine thermodurcissable à basse pression (manuelle ou pression atmosphérique générée par le vide). La surface est généralement couverte par un gel coat déposé en fond de moule. Ainsi constitué, le matériau offre une grande durabilité ainsi qu’une surface esthétique (grande liberté de design tant au niveau de l’aspect que des formes réalisables). Très économiques en termes d’investissements en outillages, et bien adaptées aux pièces à géométrie complexe ou de superficie importante, ces technologies restent limitées en termes de cadence de fabrication : 1 à 2 pièce(s)/jour et par empreinte.

Technologies de moulage « haute pression » : SMC / BMC

Les cadences de production sont alors nettement plus élevées qu’avec les technologies à basse pression, mais le montant des investissements en outillage l’est en proportion. Ces technologies sont donc réservées aux productions de grandes séries. Ainsi constitué, ce matériau offre une grande durabilité ainsi qu’une grande liberté de design tant au niveau de l’aspect que des formes réalisables, en particulier des formes non développables ou très complexes.

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