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Des matériaux à (presque) tout faire

GUIDE RÉALISÉ PAR CHRISTIAN GUYARD

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Les composites sont devenus des matériaux de construction à part entière et investissent tous les secteurs industriels. Les thermoplastiques sont, en particulier, de plus en plus utilisés.

Les composites investissent tous les secteurs industriels : transport, bâtiment et construction, ouvrages d'art (dans ce domaine, c'est moins le cas en France). Pas d'équipements sportifs sans composites, les courses de voiliers autour du monde nous le rappellent. Ces matériaux ne sont plus un luxe mais une nouvelle manière de penser la construction d'objets et d'équipements. Les progrès continuent tous azimuts : matériaux de matrices polymères, fibres de renfort et la manière de les utiliser (mèches plates à grand nombre de filaments), charges complémentaires pour acquérir des propriétés supplémentaires à moindre coût. Mais ce sont surtout les procédés de mise en oeuvre qui intéressent beaucoup les centres de développement. D'une part pour répondre aux exigences de conditions de travail et de moindre pollution, d'autre part pour réduire le coût de la réalisation de grandes pièces. La tendance est à l'abandon de l'autoclave, même si ce procédé conduit aux performances les plus élevées.

La chasse aux composés organiques volatils

En matériaux de matrice, on reste sur les deux grandes catégories que sont les thermodurcissables et les thermoplastiques et, pour certaines fabrications, leurs produits dérivés, les préimprégnés. Dans les deux cas, ils constituent un prémélange de fibres de renfort (éventuellement avec charges) et de résine, ce qui garantit la bonne proportion des deux. Ce sont des nappes plus ou moins épaisses, généralement transformées par compression à chaud. En thermodurcissables, les améliorations touchent toutes les résines classiques époxy, esters (familles très riches), polyuréthannes, etc. L'accent est mis en général sur la chasse aux composés organiques volatils (COV), avec de nouvelles formulations (mais les émissions tiennent aussi au procédé de mise en oeuvre). En thermoplastiques, les grandes familles classiques, les polyoléfines, polyamides, etc., se développent avec des grades mieux adaptés aux conditions de mise en oeuvre (viscosité à chaud par exemple).

La fibre de carbone se démocratise

Concernant les fibres, le verre reste très majoritaire car il est le moins cher, même s'il existe des évolutions en matière de formulation et d'ensimage (traitement superficiel de la fibre). Juste derrière le verre, arrive le carbone en mèches contenant de plus en plus de fibres 12 k voire 50 k, c'est-à-dire 12 000 et 50 000 fibres par mèche. Dans le souci de mieux étaler ces mèches, on voit apparaître des demi-produits sous forme de nappes : l'avantage est d'obtenir une meilleure imprégnation à coeur, plus rapidement, ainsi que de gagner sur l'épaisseur finale de la pièce. La fibre de carbone se démocratise et Toray (fournisseur historique de fibres) vient d'annoncer la production en Allemagne de pièces pour l'automobile.

Viennent ensuite les fibres aramides (le Kevlar étant la plus célèbre), polymère très résistant utilisé pour les pièces de haut de gamme et la protection balistique. On trouve même des fibres très classiques de polyéthylène et polypropylène qui commencent à se placer : ainsi Curv réalise du composite monomatière avec fibres et matrice en polyéthylène, et ce grâce à la possibilité de jouer sur le degré de polymérisation des deux et donc d'avoir des points de fusion différents. Les fibres naturelles (lin, chanvre, etc.) font une timide mais réelle apparition sur ce marché, dans la production de pièces automobiles par exemple. Les composites se mettent aussi au vert.

On distingue les fibres continues placées sous formes mats (nappe non-tissée), des fibres de tissus, de feutre, de tresses ou sous formes coupées, plus ou moins longues, de quelques centimètres, millimètres ou submillimétriques (dans ce cas souvent issues de récupération). La géométrie de la fibre est dans une certaine mesure couplée au type de procédé utilisé : la pultrusion et l'enroulement filamentaire utilisent de la fibre continue en mèches, les procédés en moule (contact, RTM, etc.) utilisent des nappes et tissus, la projection utilise de la fibre coupée, tout comme l'injection. Un créneau important est le demi-produit de fabrication : pour être sûr du bon rapport fibres/résine, et de la qualité de l'imprégnation des fibres par la résine, il existe des demi-produits fabriqués en usine, qui se découpent avant placement en moule. Ce sont les préimprégnés (souvent appelés prépregs). Ils sont prêts à l'emploi, ce qui signifie, pour les thermodurcissables, qu'ils contiennent le système réactif entier. Ils ont donc une durée de vie limitée et doivent être stockés au froid. Ils sont essentiellement utilisés en aéronautique et dans la fabrication très haut de gamme. Il existe l'équivalent en thermoplastiques (mais sans l'inconvénient de la tenue au froid) avec un produit phare, le Twintex d'OCV (Owens Corning, ex-Vetrotex), mais aussi le Tepex de Bond Laminates. Il s'agit d'un mélange intime de fibres de verre et de fibres de thermoplastique, mis sous forme de tissu. Dans ce cas, pas de problème de durée de vie ni besoin de prendre des précautions de stockage. Lorsqu'il s'agit de fibres courtes placées dans une matrice thermodurcissable, le demi-produit se présente sous forme d'une masse pâteuse utilisée dans un procédé spécifique de moulage (injection/compression), le BMC (Bulk molding compound).

Il ne faut pas confondre avec les demi-produits de construction, produits comparables à ce qui existe dans le travail des métaux : plaques, plaques épais-ses, tubes, profilés. On entre dans la construction classique par découpe à la cote, assemblage traditionnel par perçage, boulonnage (mais de préférence par collage), ou assemblage mixte par fixation mécanique et colle. Les produits longs obtenus par pultrusion se développent en volume.

En composites thermodurcissables, le procédé initial traditionnel reste très pratiqué sur moule ouvert : dépôt de gelcoat (résine enduite en fond de moule), dépôt des nappes de fibres, imprégnation au rouleau, ainsi que la projection simultanée au pistolet de résine et fibres coupées. Procédé peu cher qui est limité par les conditions de travail.

Ne pas négliger les études préalables

De nombreuses solutions se sont développées, plus industrielles, plus automatisées, mieux définies et contrôlées. La plupart se déroulent maintenant en moule fermé . Avantage immédiat, il n'y a plus d'émissions de COV (styrène essentiellement) dans l'atelier. D'où à la fois de meilleures conditions de travail et un respect des normes écologiques. Deux paramètres essentiels déterminent le choix d'un procédé : le nombre de pièces à réaliser (unitaire, petite série, grande série) et la complexité de la pièce. L'étude préalable d'une pièce en bureau d'études est donc particulièrement importante, à condition de ne pas tomber dans le piège de la substitution directe de matériaux, mais bien de penser en termes de composites. Les procédés en développement sont l'infusion sous vide et le RTM (Resin transfer moulding). Le travail s'effectue en moule et contre-moule dans lequel on dépose les renforts. Le moule est ensuite fermé . Des orifices spécifiques sont destinés à l'aspiration (mise sous vide), d'autres sont des points d'injection de la résine qui progresse doucement en remplissant l'espace entre les fibres. Il est possible de faire de grandes pièces, atteignant une dizaine de mètres voire plus. La réalisation devient alors très technique : comme l'entrée de la résine est relativement lente, entraînant une durée d'injection qui se compte en heures, il faut parfaitement contrôler la réactivité de la résine (variation continue de la quantité de catalyseur). Et adopter une répartition optimisée des points d'injection de résine pour réduire les temps de parcours et la convergence des fronts d'avance de la matière. Une fois la pièce injectée, il faut attendre la polymérisation, soit par simple attente à température ambiante, soit en accélérant par chauffage. Il existe maintenant des solutions où le moule lui-même, conducteur, est le moyen de chauffage.

La dépendance au dosage du catalyseur et à la température suscite des développements. On voit ainsi apparaître des fours micro-ondes de plusieurs mètres cubes de volume utile et des résines spécifiques activées par les micro-ondes. Un autre moyen, utilisé dans certaines configurations, est l'activation par rayonnement ultraviolet ; c'est surtout une application de niche aujourd'hui.

L'ESSENTIEL

- La fibre de verre reste le renfort le plus utilisé : 90 % des applications. - Les thermoplastiques montent en régime, car plus faciles à mettre en oeuvre. - Les procédés s'industrialisent, les conditions de travail sont meilleures, avec moins de composés volatils. - Les pièces de grande taille arrivent dans tous les secteurs, dont l'aéronautique et le BTP.

MARCHÉ53 MILLIARDS D'EUROS

Le marché mondial des composites représente 7,6 Mt (chiffre 2005, une étude JEC sortira courant 2009), pour une valeur globale de 53 milliards d'euros. Il s'agit d'un marché dynamique avec une croissance de 6 % par an. L'automobile et les transports représentent 23 % en valeur, la construction et les travaux publics 21 %. Le troisième secteur est l'aéronautique avec 18 % en valeur, mais seulement 3 % en volume. Le reste se répartit sur une multitude d'applications dans l'industrie. Depuis 2005, le secteur Asie-Pacifique est passé en tête avec 36 % de l'activité, devant l'Amérique du Nord (35 %) et l'Europe (24 %). La légèreté et la rapidité de mise en oeuvre des composites répondent aux besoins d'équipement des pays en voie de développement. SOURCE : Chiffres JEC études stratégiques

LES CRITÈRES DE CHOIXQUELQUES QUESTIONS À SE POSER

- Quelle matière ? Les conditions de température de service et des contraintes mécaniques élevées orienteront vers les thermodurcissables. - Quel procédé ? Il dépend très directement du volume de pièces à produire et du niveau de qualité exigé, notamment l'aspect de surface. Ceci rétroagit également sur le choix de la matière. - Quel moule ? Selon sa taille, l'importance de la série et le procédé utilisé, son prix sera très différent. - Quelles études ? Pour toutes les raisons précédentes, l'étude est fondamentale pour d'abord orienter vers les composites ou pas (métaux), ensuite faire le choix de la matière et du procédé.

PRATIQUE

un Salon - JEC organise le plus grand salon composites en Europe - du 24 au 26 mars à Paris - et une autre édition, JEC Composites Asia, à Singapour. De nombreuses manifestations ont lieu en Europe sur le thème des composites et matériaux en concurrence. Des Sites Web - Site JEC, très complet, avec un annuaire des fournisseurs et de nombreuses informations sur le secteur composite. www.jeccomposites.com - Site ACMA de l'association américaine de la fabrication composites (American Composites Manufacturing Association) www.acmanet.org Et son répertoire de fournisseurs : www.acmabuyersguide.com

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