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Composites : la simulation de l’infusion progresse

Jean-François Preveraud
Composites : la simulation de l’infusion progresse

Simulation du remplissage d'une forme aéronautique à l'aide du logiciel PAM-RTM.

© DR

Le projet européen PréCarBi vise à remplacer les tissus pré-imprégnés utilisés dans les pièces avancées en matériaux composites par des tissus secs infusés. L’objectif est de réduire les coûts, tout en facilitant la fabrication et en garantissant les performances techniques, notamment pour les applications aéronautiques.

Le Consortium Européen de Recherche PreCarBi (Pre-impregnated Carbon Binder Yarn Preform Composites), initialisé il y a trois ans par ESI Group, a pour objectif principal le développement d’une nouvelle génération de matériaux composites a base de fibres sèches activables et d’outils de simulation associés, en particulier pour des applications nécessitant de hautes performances dans l’industrie aérospatiale. Ce projet de 3 ans avait un budget de 3,88 millions d’Euros.

Pré-imprégnés versus textiles secs infusés

Aujourd’hui, les fabricants de pièces en composites avancés utilisent soit des couches de pré-imprégnés (prepegs) pour former le stratifié, soit des textiles secs infusés (procédé Liquid Composites Molding ou LCM). En général, les pré-imprégnés ont une meilleure rigidité, résistance mécanique et comportement en fatigue grâce à des résines durcies et des taux de fibres élevés, cela avec des fibres bien reparties dans une architecture organisée. Cependant, ce type de matériau souffre d’un coût élevé, d’une formabilité réduite, d’une mise en œuvre de fabrication compliquée, chère et longue, et d’une durée de stockage limitée.

Les technologies LCM parviennent à surmonter ces inconvénients, mais le procédé LCM utilise des résines à faible viscosité pour l’infusion et souffre du désalignement des fibres du textile, source de performance mécanique médiocre et inacceptable pour nombre d’applications structurelles aéronautiques. C’est la raison pour laquelle le projet PreCarBi a été monté : afin d’améliorer les matériaux composites pour le procédé LCM.

« Les composites sont devenus le matériau de choix pour bon nombre d’applications structurelles aéronautiques avancées, mais la recherche doit se poursuivre pour identifier des procédés de fabrication plus économiques et des outils de simulation permettant d’optimiser leur fabrication et leur conception », explique Anthony Pickett, directeur scientifique chez ESI GmbH et coordinateur du projet.

L’objectif scientifique du consortium PreCarbi était donc de développer des matériaux composites à base de fibres sèches activables permettant aux préformes d’être fabriquées et mises en forme à haute température, ou encore l’ajout local à haute température de mèches. La recherche issue du consortium est considérée comme une contribution importante aux technologies avancées d’infusion de résine liquide (Liquid Resin Infusion ou LRI) pour venir concurrencer les technologies onéreuses et complexes des pré-imprégnés.

Le déroulement des travaux

Le projet PreCarBi a pris en compte trois matériaux principaux :
 

  • les nouveaux matériaux composites à base de fibres de carbone sèches activables élaborés par Tenax au cours d’un processus itératif pour obtenir les performances requises ;
  • des résines compatibles développées par Huntsman ;
  • des composites à base de fibres sèches activables convertis en préformes (en tissé ou sans ondulations) produits par Sigmatex et Airbus Operations GmbH.
     

De nombreux travaux supplémentaires de caractérisation et d’essai ont été effectués par d’autres partenaires de la recherche, afin d’évaluer et de quantifier les améliorations à mesure que les nouveaux matériaux devenaient disponibles. 

 

Les partenaires de PreCarBi

Le consortium de recherche coordonné par la filiale allemande de l’éditeur de logiciels de simulation ESI Group, a été rejoint par deux fabricants d’avions : Airbus et Eurocopter ; un fournisseur de premier rang : FACC ; trois fabricants de matériaux : Toho Tenax Europe, Sigmatex et Huntsman Advanced Materials GmbH (Suisse) ; quatre universités et instituts de recherche : Cranfield University ; IPM Latvia ; Université de Patras et SICOMP
 

De son côté, ESI Group, pilote du projet, a alors été en mesure d’adapter ses logiciels PAM-Quickform et PAM-RTM, solutions de simulation de thermoformage et de fabrication de matériaux plastiques et composites, à la simulation industrielle du drapage et du procédé LRI des composites a base de fibres sèches activables.

Ensuite, dans la deuxième partie du projet, les partenaires industriels ont testé les nouveaux matériaux en les appliquant à des composants industriels choisis, traditionnellement fabriqués en pré-imprégnés. À ce stade est intervenue une collaboration étroite entre ESI Group et les partenaires industriels, afin d’aider à la conception numérique et à la validation des structures industrielles. Finalement, l’Université de Patras a travaillé au développement des outils d’analyse des coûts pour quantifier les réductions de coûts obtenues par rapport à la fabrication par pré-imprégnés.

Différentes stratégies de drapage et d’injection ont enfin été testées sur trois composants industriels de démonstration utilisant les nouveaux matériaux et la faisabilité de fabrication LCM a été analysée au cours du projet de recherche.

« Le projet PreCarBi a apporté une contribution significative aux composites à base de fibres sèches activables qui aura un impact important sur la fabrication de pièces composites et plus globalement sur l’industrie aéronautique », conclut Anthony Pickett.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://cordis.europa.eu

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