La complexité de la mise en œuvre des matériaux composites représente un frein à leur adoption à grande échelle. Dédiés à l’origine à la petite série, ils reposent sur des procédés essentiellement manuels, comme le moulage au contact de tissus préimprégnés ou la pulvérisation de résine. En 2019, 32 % de la production mondiale des composites – majoritairement des thermodurcissables – utilisait encore ces techniques, selon JEC Composites.
Cependant, face à la demande des industriels, les procédés automatisés gagnent progressivement du terrain. Parmi eux, l’estampage, qui consiste à former une pièce par emboutissage d’une plaque de préimprégné, ou l’infusion, qui permet d’imprégner un renfort fibreux grâce à une aspiration. Mais s’ils libèrent les opérateurs d’un travail long et fastidieux, ces procédés affichent des temps de cycle et une répétabilité encore éloignés des besoins d’une industrie de masse telle que l’automobile, en partie à cause de l’étape de polymérisation de la résine.
Chauffer le moule, une étape très énergivore
S’inspirant du moulage par injection, couramment utilisé en plasturgie pour les cadences élevées de production, la recherche a mis au point le procédé RTM (resin transfer molding, ou moulage par transfert de résine). Il présente les mêmes caractéristiques : un point d’injection de la matière, l’utilisation d’un moule fermé et la maîtrise du comportement thermique du moule. Il permet une polymérisation de la matrice hors autoclave, réduisant le nombre d’étapes nécessaires à la fabrication de la pièce. Il peut aussi être utilisé avec des thermoplastiques, de quoi raccourcir davantage les temps de production. Les pièces produites par RTM représentent un marché dont la croissance annuelle s’élèverait en moyenne à 4,7 % entre 2019 et 2025, selon Reportlinker.
Le procédé RTM consiste à placer dans un moule ouvert une préforme fibreuse de la pièce épousant la forme du moule. La partie supérieure du moule (contre-moule) est descendue et la résine est injectée sous forme liquide ou visqueuse au centre du moule au moyen d’une pompe basse pression, c’est-à-dire à des pressions inférieures à 10 bars. Pour faciliter l’écoulement de la matière, un système d’aspiration peut être placé sur les côtés du moule. La résine est ainsi guidée entre les fibres et imprègne le renfort en profondeur. La qualité de l’imprégnation est essentielle pour assurer les bonnes propriétés mécaniques de la pièce finale.
La polymérisation est réalisée dans le moule, chauffé jusqu’à atteindre la température idoine. L’opération démarre dans le moule, avec une montée en température de l’outillage. « La polymérisation trop rapide de la résine dans le moule nuit à l’écoulement de la matière dans l’empreinte. Il faut donc injecter une résine avec un temps de durcissement lent, à une température en dessous de celle nécessaire à la polymérisation, explique Philippe Capon, le responsable R&D chez Pinette Emidecau Industries, fabricant de machines pour la production de pièces composites. Comme ilfaut chauffer des moules en acier qui peuvent atteindre plusieurs tonnes, c’est une étape très énergivore. »
Produire une pièce de qualité aéronautique en une heure grâce au C-RTM
Grâce au procédé RTM, on peut produire des pièces avec un taux volumique de fibres dépassant les 60 % et une très bonne répétabilité. Cependant, les temps de cycle sont encore relativement longs. « Pour une pièce de qualité aéronautique, il faut compter environ huit heures », précise Philippe Capon. Il s’agit toutefois d’un net progrès par rapport à d’autres processus, comme l’infusion qui dépasse généralement la dizaine d’heures. Pour davantage d’efficacité, il est possible d’injecter la résine à haute pression. Ce procédé, dit HP-RTM (high pressure resin transfer molding), accélère l’imprégnation des fibres. « Nous pouvons utiliser des résines à prise rapide, souligne Philippe Capon. Le moule peut être maintenu à la température de cuisson. » L’injection de résine – très visqueuse – est réalisée à une pression d’environ 120 bars. Ce procédé permet de produire une pièce de qualité aéronautique, fortement chargée en fibres, en cinq heures environ, selon Philippe Capon.
L’IMT Lille Douai et le Centre technique de la plasturgie et des composites (IPC), entre autres, ont récemment développé une autre variante du RTM, qui réduit encore davantage les temps de production. Ce procédé ajoute une étape de compression lors de la fermeture du moule. Baptisé C-RTM, il consiste à injecter une résine associée à un agent durcissant dans un moule légèrement entrouvert. « Il y a plusieurs avantages à garder le moule ouvert. Cela évite de comprimer la préforme, ce qui réduit sa perméabilité. La résine rencontre donc moins de résistance lorsqu’elle est injectée», explique Philippe Capon. Elle se dépose ainsi rapidement à la surface de la préforme. Le moule est ensuite fermé pour comprimer la résine et la forcer à travers les fibres. Là aussi, la cuisson se déroule dans le moule, mais son temps est réduit grâce à l’ajout de l’élément durcissant. Ce procédé très prometteur produit des pièces de qualité aéronautique en une heure environ.
IPC a mis en place un démonstrateur de C-RTM dédié aux thermoplastiques chargés de fibres de verre, à partir d’une presse à injecter classique Billion de 600 tonnes. De son côté, Pinette Emidecau Industries travaille sur des cellules de production robotisées capables de réaliser des pièces « net shape » (sans reprise d’usinage) en deuxminutes. Des cadences qui intéressent le secteur automobile pour les futures générations de véhicules
