Créé le : 03/08/2009
MATERIAUX ET PROCEDES COMPOSITES A MATRICE THERMOPLASTIQUE Ils se développent plus vite que les composites à matrice thermodurcissable (+9% par an contre +3% par an), mais partent de plus bas, les thermodurcissables étant déjà très implantés. Les avantages des thermoplastiques sont une durée de stockage et de conservation illimitée à température ambiante, la possibilité d'être refondus et recyclés, une meilleure tenue aux chocs. Ils partagent avec les autres plastiques des qualités esthétiques, une facilité de mise en uvre 3D et des propriétés d'isolation acoustique. Leurs nombreuses applications sont détaillées dans le paragraphe « Applications » : automobile (pavillons, tablettes, planchers, habillages, supports, structures de sièges, poutres de pare-chocs), ferroviaire (coques de trains), aéronautique (attaches d'aérofreins, panneaux de fuselage, carénages, cloisons pare-feu, cadres), autres secteurs (bouteilles de gaz, chauffe-eau, freins et suspensions de camions). HAUTE TEMPERATURE Le Primaset PT-15 de Lonza est un ester de cyanate basse viscosité, qui supporte des températures plus élevées que les époxydes et polyamides, et a des propriétés ignifuges. Applications : BTP, aéronautique, isolation électrique [10]. RENFORTS 3M propose le film polyuréthanne 8067 (0,36 mm d'épaisseur) de grande capacité d'allongement et de forte résistance au déchirement et à l'impact. Un peu comme un emballage, il protège des structures en composite en service contre les intempéries, la pollution, les impacts: pales d'éoliennes, bords d'attaque d'ailes d'avions, pièces extérieures de trains [19]. Les renforts Oxeon TeXtreme consistent en tresses de verre, carbone ou aramide de 20 à 50 mm de large, ne pesant pas plus de 160 g/m2 (poids d'un papier épais) à 600 g/m2. Ils sont destinés à l'automobile, à l'aéronautique et à la construction navale [21]. INJECTION INTELLIGENTE Pour l'injection, Glas Craft propose, dans son système RTM Spartan 2 PAC, une optimisation informatique de la pression du taux de catalyseur pendant l'injection de la résine [14]. Le Center for Composite Materials de l'université du Delaware a conçu un procédé sous vide intelligent (SmartMolding) qui permet de produire des pièces moulées par voie liquide de manière répétitive et économique. Un logiciel guide l'opérateur tout au long des étapes de stratification, d'infusion et de durcissement [15, 16]. Les systèmes d'infusion et de stratification RenGel, RenLam et RenFusion d'Hunstmann permettent de fabriquer de très grands moules pour l'aéronautique ou pales d'éoliennes [20]. INDUCTION Le Cage System de Roctool® [17] permet la transformation rapide de composites par induction. Il chauffe très rapidement la surface. L'absence de préchauffage du moule et le refroidissement immédiat de la pièce réduisent notablement le cycle de fabrication. Les applications principales se trouvent dans l'automobile (carrosserie, pièces intérieures) et les sports et loisirs (semelles, cycles, casques, ski, pagaies, hockey, bagages), etc. MISE EN FORME DE RUBANS Soficar propose des rubans obtenus par extrusion à partir de fibres de carbone et de granulés de polyamide PA 12. Ils se travaillent par estampage, moulage ou placement de rubans (exemple : tubes) (applications automobiles et militaires). APPLICATIONS AUTOMOBILE Les composites à matrice thermoplastique se développent beaucoup en automobile. Le sandwich Twintex-Vetrotex est utilisé pour des pavillons, des tablettes arrières, des planchers, des habillages de portes [12]. Le thermoplastique à fibres longues Atofina-Pryltex est employé pour les faux planchers, supports de batterie et poutres de pare-chocs. Il conserve de bonnes propriétés à 130 °C [13]. Faurecia a développé le concept de cockpit Synthes, structure hybride constituée de polypropylène renforcé de fibres de verre, d'une partie supérieure injectée et d'une partie inférieure constituée d'un tube métallique et d'une partie compressée ou injectée. Elle permet d'intégrer les conduits d'air et de désembuage et de nombreux points de fixation. Advanced Composites Systems a conçu en composite thermoplastique l'absorbeur de choc du pare-choc de la BMW M3 et la structure sandwich d'un siège arrière de BMW [11]. LNP Engineering Plastics lance sur le marché quatre composites Verton renforcés de fibres de verre longue (Xenoy, WF, MFX et UF). Le Xenoy est destiné aux pièces structurales d'aspect pour l'automobile et les véhicules tous-terrains. Il combine un module élevé, une grande résistance aux chocs, un faible coefficient de dilatation thermique et un bon aspect de surface. Le WF, à base de résine Valox (General Electric Plastics) vise les applications à tolérances étroites et à haute tenue à l'humidité pour l'automobile et la construction navale. Le MFX est un polypropylène renforcé à 70 % verre pour grandes pièces automobiles et industrielles. Il permet au transformateur de moduler la teneur en verre selon le besoin résistance-coût. L'UF à base de polyphtalamide (PPA) permet des applications réfractaires pour le compartiment moteur. De module de flexion et résistance mécanique à haute température très élevés, il peut être utilisé en remplacement de métaux [4]. Matra Venture Composites (MVC), joint-venture entre Matra Automobiles et Venture, conçoit et fabrique des pièces techniques en composites SMC (Sheet Molding Compound, fibre de verre-résine) et composites-mousse pour l'industrie automobile et les machines agricoles (planches de bord, pièces d'aspect extérieures). Il développe des méthodes pour améliorer la mise en peinture et la tenue à la température, et peut produire des séries importantes grâce au thermoformage (400 véhicules par jour). [2]. AUTOMOBILE SOUS CAPOT Bayer AG propose un polyamide 6 renforcé de fibres de verre destiné au compartiment moteur dans l'automobile, supportant 160°C, le Durethan BKV 30 HTS (High Temperature Stabilization). Ses résultats (résistance au choc Izod maintenue à moitié après 3000 heures à 150°C, soit 150000 km non-stop) dépassent largement ceux des polyamides plus classiques stabilisés aux sels de cuivre. Il est aussi plus économique que le polyamide 46 stabilisé au cuivre. Des essais ont démontré sa durabilité sur des collecteurs d'admission [22]. Un collecteur d'admission à polyamide renforcé a aussi été mis au point par Porsche conjointement avec l'équipementier allemand Malhe et DuPont. Les composites ont remplacé le métal sur un certain nombre de pièces de la Porsche 4x4 Cayenne 2003. C'est le cas du collecteur d'admission d'air et des cache culbuteurs du V8 de 450 ch, pour des raisons de tenue en température et de résistance à la corrosion (hydrolyse et huile brûlante). Ces composants sont en polyamide Zytel renforcée à 35% de fibre de verre. Un grade spécifique de Zytel, facile à souder et résistant à l'arrachement a été utilisé. La pièce, trop complexe bien qu'optimisée, ne peut être moulée d'un seul tenant, et comprend un assemblage de quatre éléments. Le collecteur supporte 150° C et respecte une étanchéité à long terme et un faible niveau de bruit [23]. La société allemande Gustav Wahler, l'un des plus importants fournisseurs mondiaux de solutions de gestion de la température et des émissions pour l'industrie automobile, a choisi le polyimide Vespel de DuPont pour ses nouveaux paliers coulissants et fourreaux de guidage devant résister aux gaz d'échappement chauds, pour valves de recyclage des gaz d'échappement électriquement commandées (valves EEGR) et valves de retour pneumatiques. Les valves EEGR équipent les moteurs CDI de Daimler Chrysler, et les diesels 2,2 l de GM-Saab. Les valves de retour servent par exemple aux moteurs diesel Volkswagen. Même en conditions extrêmes (240°C), l'usure et le frottement restent faibles, avec l'avantage d'une stabilité dimensionnelle et d'une résistance à l'abrasion, avec ou sans lubrification, et aux produits chimiques [3]. POIDS LOURDS KSTN, fabricant du carter d'huile des moteurs de camions Mercedes-Benz Actros a choisi le polyamide Ultramid A3HG7 de BASF, renforcé de 35% de fibres de verre. Il s'agit de la première pièce de ce type réalisée en thermoplastique, en remplacement du métal, sur poids lourds. L'intensité sonore est plus basse d'environ un décibel, le poids est divisé par deux et la capacité augmente de 30%. Sa tenue aux chocs, à proximité immédiate des roues, lui permet de résister aux impacts des cailloux. L'Ultramid supporte le contact de l'huile à 120 °C en fonctionnement continu. Les tests montrent qu'il tient 3000 heures à 130°C. Pour KTSN, un autre paramètre est important : ses qualités d'écoulement, car la production nécessite d'injecter 6 kg de polymère par un seul point [24, 25]. MACHINES AGRICOLES John Deere a conçu une moissonneuse-batteuse en panneaux HarvestForm, en composites polymériques constitués d'une résine de maïs et de soja. Ces panneaux sont 25% plus légers que l'acier et sont recyclables. Ce résultat est issu d'une collaboration avec l'USB (United Soybean Board) et le NCGA (National Corn Growers Association), notamment dans le cadre du programme ACRES (consacré aux composites abordables issus de ressources renouvelables) [5]. Le chargeur agricole à bras téléscopique Auvertrack, produit par les Ateliers du Berry (PME de 37 personnes), a été reconçu avec l'aide du Cetim et le soutien financier du programme Atout Puma. Les modifications apportées sont importantes : le capot arrière devient en matière plastique, la cabine et les ailes. Le prix de revient a été revu à la baisse et se situe à environ 30 000 euros. L'Auvertrack a été conçu pour récupérer des bottes de foin empilées les unes sur les autres [6]. La résine GE Plastics Geloy ASA est utilisée pour des panneaux de tracteurs John Deere série 9000 ne nécessitant pas de peinture [8]. Les plastiques (PVC, polyéthylènes, polypropylènes, polyamides, polycarbonates) sont utilisés notamment dans les cuves de pulvérisation de produits phytosanitaires, les mécanismes doseurs des semoirs, des éléments de versoir, des carters de protection, des plots amortisseurs [29]. VEHICULES MILITAIRES Six milliards de livres vont être consacrés au développement d'un mini char pour l'armée britannique, destiné à pouvoir être transporté par avion dans les zones de conflit,. Le canon aura le même calibre que l'actuel char Challenger 2 (120 mm) et le blindage sera aussi résistant, mais il sera plus manoeuvrable et plus aisément transportable. Son acheminement se comptera en jours, et non plus en semaines. Le blindage utilisera un nouveau matériau l'E-glass, composite renforcé de fibres de verre spécialement conçu pour être aussi résistant que les blindages modernes en céramique, mais beaucoup plus léger. De nombreuses variantes sont prévues : à roues et à chenilles, porteurs de troupes, lanceurs de roquettes anti-chars, véhicules de reconnaissance. Les mini chars prendront un créneau disponible entre les forces légères composées d'unités mobiles (parachutistes et Royal Marines) et les forces lourdes constituées de chars Challenger 2 de 50 tonnes. La création de cette capacité d'intervention médiane aura aussi pour effet d'alléger la charge d'activité des Paras et des Marines, présents dans toutes les opérations des années 90. Le programme Mini-tank, l'un des contrats les plus coûteux de l'histoire de l'armée britannique, vise à fournir 1500 véhicules pour 2009. Alvis, BAe Systems et l'américain General Dynamics travaillent déjà sur ce projet avec le ministère de la Défense, en attendant qu'il se transforme en commande [1]. FERROVIAIRE Dans le ferroviaire, le projet européen Hycotrans, piloté par l'ARRC (Advanced Railway Research Centre), joint-venture entre British Railways et l'université de Sheffield, a développé des méthodes de production économiques de structures sandwich de grandes dimensions monocoques [9]. AERONAUTIQUE Cytec Engineered Materials et Fisher Advanced Composites Components ont été distingués à JEC 2004 pour l'attache centrale d'aérofrein des Airbus A340 et A330, réalisée par RTM (Resin Transfer Molding), auparavant en aluminium forgé [10]. Les nappes PEEK/fibres de carbone (PEEK/AS4, désignation commerciale APC2), de bonnes propriétés au feu, sont mises en uvre par tôlerie par EADS. Applications : panneaux de fuselage, carénages avant, ventraux et arrières, cloisons pare-feu, cadres [11]. Dans le cadre du programme CASCADE, qui vise à développer l'usage des composites dans l'aéronautique civile, et avec le soutien d'Airbus UK, Qinetiq développe de nouvelles technologies d'ailes plus robustes et plus légères et coûtant moins cher à produire, grâce aux procédés d'injection de résine et aux materiaux non sertis par replis (NCF). La conception et la fabrication des ailes d'avion sont des domaines d'expertise britannique depuis de nombreuses années [26]. NAVAL Le SPS (Sandwich Plate System), composite composé d'une couche de polyuréthane injecté entre deux plaques métalliques, vise à réduire les renforts soudés de structures de navires, en construction et en réparation navale. Il présente une absorption des chocs plus efficace et une meilleure résistance à la corrosion et à la fatigue. Il permet de s'affranchir des renforts métalliques, de réaliser 50% de soudures en moins et de mieux dissiper les contraintes. Il a été conçu par Intelligent Engineering, société fondée par des chercheurs de l'Université Carleton d'Ottawa, en partenariat avec Elastogran, filiale de BASF [27]. QinetiQ vient de développer la plus grande hélice en composite du monde, pour un navire prototype britannique. Elle mesure 3 m avec cinq pales montées sur un moyeu en nickel-aluminium-bronze (NAB). Les tests confirment sa supériorité en vibrations et transmission de puissance, grâce à la faible densité du matériau. Les pales peuvent ainsi être plus épaisses sans augmentation de masse. Cela permet une moindre cavitation, moins de vibrations et une signature plus faible pour les navires militaires [28]. AUTRES PIECES MECANIQUES Les composites thermoplastiques Twintex-Vetrotex, mis en forme par enroulement et pultrusion, sont utilisés pour fabriquer des bouteilles de gaz, des chauffe-eau, des freins et des suspensions de camions. La société Allibert produit de grandes cuves en composite thermoplastique. [30]. Alstom a mis au point un revêtement composite sur coussinet de butée de palier hydrodynamique de grande dimension pour hydrogénérateur, récompensé à JEC 2004. Un composite PEEK/fibres courtes de carbone remplace ici un alliage de plomb. L'accrochage au support en acier a été réalisé avec la société japonaise Daido, par frittage incorporant des particules de cuivre. Il est prévu pour durer 20 ans. Des accouplements composites rigides en torsion et souples dans les autres directions ont été mis au point par Zero-Max Inc. (http://www.zero-max.com). Ils sont nommés Single et Double Flex CD. Leur objectif est la robotique. Grâce à des disques à bras ouverts et à des composites résistants, la capacité de désalignement est équivalente à celle des accouplements en élastomère alors que la rigidité torsionnelle est plus élevée. Le disque atténue les charges de réaction, absorbe et amortit les chocs et vibrations. Le système d'échange rapide Quick Detach en facilite l'installation. Ils présentent de plus des avantages contre la corrosion par frottement, les ruptures au niveau des trous de boulons et les dégradations dues aux produits chimiques, à l'humidité dans les environnements hostiles [7]. Références [1] New mini-tank 'will transform Army, http://www.jeccomposites.com/news/news_fiche.asp?id=929& [2] MVC : des composites performants. Usine nouvelle, Nr.2838, 12 au 18 septembre 2002, P. Publiscope XXI. [3] http://www.wahler.de et http://www.dupont.com/vespel [4] LNP Engineering Plastics www.lnp.com [5] Des moissonneuses-batteuses en composites. Composites International, Nr.49, Janvier-Février 2002, p.48-49 [6] Chargeur agricole à pièces plastiques. CETIM-Informations, Nr.178, Mai 2002, p.45-46 [7] L'accouplement rigide en torsion et souple dans les autres directions. Lettre hebdomadaire Industries et Technologie N°63 2 avril 2004. [8] « GE Plastics offers new thermoformable products ». JEC Composites, Nr.7, Février-Mars 2004, p.12 [9]http://www.arrc.ac.uk/projects/hycotrans/hycotrans.php [10] JEC Composites Show 2004. Industries et Technologie N°63 2 avril 2004 [11] Congrès 2004 SFIP http://www.sfip-plastic.org/pdf_flash/SFIP_infoFLASH-22.pdf (recueil des conférences en vente à la SFPA ou à la librairie Lavoisier) [12] Saint-Gobain Vetrotex http://www.saint-gobainvetrotex.com/francais/index_fr.html [13]Atofinahttp://www.atofina.com/groupe/fr/solutions/marches/automobile/f/fonction/pieces_int/bas_planche.htm [14]http://www.netcomposites.com/news.asp?1951 [15]http://amptiac.alionscience.com/pdf/AMPQ7_3ART06.pdf [16]http://www.ccm.udel.edu/Pubs/techbriefs.html [17] Roctool http://www.roctool.com/fr [18] Soficar http://www.soficar-carbon.com/fr/index.html [19] http://cms.3m.com/cms/FR/fr/0-140/FRrzFFW/view.jhtml [20]http://www.huntsman.com/renshape/index.cfm?PageID=4198 [21] http://www.oxeon.se/products.asp [22] A new polyamide for under-hood parts. Composites international, Nr.53, Septembre-Octobre 2002, P.58-59. [23] Un collecteur d'admission en polyamide renforcé. Industries et Technologies. La Lettre hebdomadaire n°50 - 19 Décembre 2003 [24] Le carter d'huile des moteurs de camions passe aux plastiques http://www.basf.de/ultramid [25] The world's first thermoplastic truck engine oil-sump (carter) http://www.jeccomposites.com/news/news_fiche.asp?id=911& [26] Aviation : de plus en plus de matériaux composites. Bulletin Electronique du Royaume-Uni, n°29, septembre 2002. [27] Un composite se substitue aux renforts soudés. Le polyuréthane consolide les structures de navire. Usine Nouvelle, Nr.2832, 4 au 10 juillet 2002, p.37. [28] Technologies Internationales, n°97, septembre 2003, p.34 et http://www.qinetiq.com/news_room/newsreleases/2003/2nd_quarter/world_s.html. [29] Les plastiques s'imposent dans la mécanique. Matériel agricole, n°50, Février 2001, p.59-61. [30] http://www.allibert-equipement.com, produits "allibert buckhorn" et revue Composites, octobre-novembre 2004. Note rédigée par Jean-Marc Bélot, Philippe Martin et Alain Dessarthe (Cetim).