Fabrication composite

Les procédés de fabrication utilisés pour créer des fibres de verre et de carbone sont essentiels pour comprendre la fabrication moderne des composites.
La fibre de carbone est fabriquée à partir de polymères organiques d'une largeur de 5 à 10 microns (environ 0,005 mm à 0,1 mm). Les ingrédients exacts des fibres dépendent généralement du fabricant et de la marque, mais la plupart contiennent des polymères organiques.
1. Les matières premières sont filées et étirées en longues chaînes fibreuses de molécules maintenues ensemble par des atomes de carbone.
2. Ces brins sont lavés et stabilisés à l'aide de produits chimiques.
3. Les fibres sont chauffées à environ 300 degrés, ce qui oblige les molécules de carbone à se lier étroitement entre elles. Ce processus, appelé carbonisation, concentre et purifie le carbone et fournit un rapport résistance/volume élevé.
4. La surface des fibres est traitée pour les oxyder et améliorer les propriétés de liaison.
5. Les fibres de carbone sont ensuite enroulées sur des bobines et chargées dans des machines à filer pour tordre les fibres en fils de différentes épaisseurs et les tisser en tissu. Les feuilles ou les bandes de ce tissu sont généralement imprégnées de résine et laissées à durcir. Ou bien, les fibres libres sont pressées ensemble avec un polymère plastique par la chaleur, la pression ou le vide pour former un matériau composite.
La fibre de verre est fabriquée à partir de sable de silice avec d'autres ingrédients tels que le calcaire et le carbonate de soude pour réduire la température de fusion et contrôler d'autres propriétés.
1.    Les matières premières sont fondues dans un four à température contrôlée.
2.    Le mélange fondu qui en résulte descend dans un canal jusqu'à une machine qui le transforme en petites billes.
3.    Ces billes sont inspectées pour vérifier l'absence d'impuretés avant d'être à nouveau fondues.
4.    Le verre fondu passe ensuite dans des filières métalliques couvertes de minuscules orifices.
5.    La force centrifuge pousse le verre fondu hors des orifices sous forme de fins filaments. Ces filaments peuvent être conservés tels quels ou tissés en un long fil continu.
 

Diverses techniques sont utilisées dans la fabrication des composites et la méthode employée reflète l'application prévue. D'autres facteurs décisifs sont le coût des matériaux et de l'équipement et le nombre d'articles à produire.
Les propriétés de l'article fini seront déterminées par les propriétés des matériaux constitutifs et par la façon dont la matrice et le renfort sont combinés.
Les procédés courants de fabrication des composites sont les suivants
- Moulage par stratification manuelle - Le matériau de renforcement est déposé dans un moule et la substance de la matrice est appliquée au pinceau, au rouleau ou au pistolet.  Le moule peut être laissé ouvert ou fermé et on le laisse durcir. Ce procédé manuel est relativement peu coûteux et est largement utilisé pour la production de petits volumes sur mesure.
- Moulage par transfert de résine (RTM) - Des feuilles de matériau de renforcement sont placées dans un moule qui est ensuite fermé dans une presse chauffée. La matrice liquide est prémélangée avec un catalyseur de durcissement et injectée sous pression dans le moule par de petits canaux, puis on la laisse durcir. Un vide est parfois utilisé pour améliorer l'écoulement de la matrice (moulage par transfert de résine assisté par le vide).  Ce procédé est bien adapté à la production de volumes moyens et nécessite un équipement spécialisé.
- Moulage par injection de réaction - Une résine et un catalyseur de durcissement sont pulvérisés dans un moule par deux jets. Ce procédé peut également être appliqué par des robots programmables qui pulvérisent le mélange directement sur des feuilles de matériaux de renforcement préformées disposées dans un moule. Les systèmes automatisés contribuent à rendre ce processus plus efficace et plus précis.
- Infusion de film de résine (RFI) - Un film de résine gélifiée est superposé à des feuilles de matériaux de renforcement préformés. La chaleur et la pression sont appliquées, la résine se liquéfie et lie le composite.
- Moulage par injection - Un mélange prémélangé de fibres de verre hachées et de résine, appelé "bulk molding compound" (BMC), est introduit de force dans un moule chauffé. Il se liquéfie et remplit le moule, puis il est refroidi et une fois durci, la pièce est éjectée. Ce procédé peut être utilisé pour la production de gros volumes.
- Moulage par compression - Les feuilles de résine et les fibres coupées sont serrées ensemble sous pression. Une fois bien combinées, elles sont chauffées à nouveau et une matrice métallique est appliquée sous pression. Le composite en fibre de verre prend la forme de la matrice, durcit et est éjecté. Plusieurs pièces peuvent être fabriquées à partir de chaque feuille et, avec l'équipement adéquat, l'ensemble du processus peut être automatisé, ce qui le rend idéal pour la fabrication en grande série.
- Pultrusion - Un matelas continu de fibres de renforcement est tiré à travers un bain de résine chauffé et guidé à travers une filière chauffée qui applique la forme requise. Le composite est ensuite refroidi, durci et la longue feuille est découpée en pièces individuelles.
- Extrusion - Les préparations de fibres longues de verre ou de carbone peuvent être prémélangées avec un thermoplastique spécialisé et forcées à travers une filière sous pression. Cela forme une forme continue qui peut être durcie et coupée en longueurs. L'extrusion est plus couramment utilisée pour fabriquer du plastique mais a récemment été développée pour être utilisée avec des matériaux composites.
 

1.    Rapport résistance/poids - Les composites présentent généralement un rapport résistance/poids nettement supérieur à celui des matériaux traditionnels tels que le bois, le métal et le plastique.  
2.    Flexibilité de la conception - Les composites peuvent être formés en formes et géométries complexes aussi facilement que les formes simples, souvent en une seule pièce, et peuvent être finis de différentes manières.
3.    Possibilités de fabrication - Les composites existent dans une grande variété de tailles et d'épaisseurs et sont généralement faciles à travailler. Ils peuvent être formés à proximité de la forme finale de l'objet et nécessitent donc un minimum de formage ou de finition par rapport à un matériau comme le métal.
4.    Polyvalence - Il existe de nombreux matériaux composites différents, chacun ayant ses propres propriétés et caractéristiques. De plus, des changements relativement mineurs dans les matières premières utilisées ou dans le processus de fabrication peuvent modifier le comportement du composite et ses applications potentielles.
5.    Isolants - De nombreux composites ne conduisent ni la chaleur ni le froid, ce qui les rend idéaux pour la protection contre le feu et les explosions et pour les applications en dessous de zéro.
6.    Durabilité - La plupart des composites sont résistants à l'eau, aux produits chimiques et à d'autres formes de corrosion, ce qui les rend idéaux pour une utilisation en extérieur ou dans des environnements difficiles.  
7.    Isotropique - Les composites n'ont pas de grain et ne se fendront donc pas, contrairement au bois.
 

1.    Coût - Les matières premières, le processus de fabrication et les outils nécessaires à l'utilisation des composites peuvent être coûteux.
2.    Fragilité - Les composites peuvent être plus fragiles que les autres matériaux et donc plus facilement endommagés.
3.    Réparabilité - Il est possible de réparer les composites, mais cela peut compromettre l'intégrité structurelle, prendre du temps et coûter cher, et nécessiter un équipement spécialisé.
4.    Recyclabilité - Les composites sont généralement difficiles à recycler en raison de leur structure et de la façon dont la matrice et le renfort sont mélangés.  
5.    Inspection - La résistance des matériaux composites rend l'identification de tout dommage structurel plus difficile, car les défauts et les faiblesses peuvent se trouver sous la surface ou sembler identiques à d'autres zones.