Ces dernières années, tant au niveau national qu'international, de nouvelles technologies de moulage de produits composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone ont vu le jour. Ces technologies comprennent le placement automatique des fibres, le moulage par consolidation rapide par ultrasons, le moulage par consolidation laser, le durcissement par faisceau d'électrons, le moulage assisté par vide et l'impression 3D. Malgré le rendement élevé, le faible coût, la faible consommation d'énergie et le degré élevé d'automatisation qu'offrent ces nouvelles technologies de moulage, les méthodes traditionnelles jouent toujours un rôle important en raison des limitations technologiques actuelles dans les applications de la fibre de carbone.

Les résines thermoplastiques comme le PEEK, le PI et le PPS présentent une forte résistance à la corrosion, une tolérance aux dommages, une résistance aux chocs et une ténacité à la rupture. Ils ramollissent et fondent également lorsqu’ils sont chauffés, ce qui permet une utilisation répétée. Lorsqu'ils sont combinés à de la fibre de carbone à haute résistance, ces composites thermoplastiques renforcés de fibre de carbone sont rapidement devenus populaires dans les applications aérospatiales, militaires et civiles haut de gamme. Au fil du temps, divers procédés de moulage ont été développés pour les applications en fibre de carbone. Saxobran Nouveau matérielCo., Ltd, se spécialise dans la production de produits composites en fibre de carbone et a comparé les avantages et les inconvénients de plusieurs méthodes de moulage largement utilisées et matures.

Processus de moulage en autoclave

Le moulage en autoclave utilise du gaz comprimé à haute température dans l'autoclave pour chauffer et pressuriser les préimprégnés pré-posés, les durcissant ainsi pour leur donner leur forme. Cette méthode est largement utilisée pour le moulage intégral de matériaux composites à base de résine et revêt une importance significative dans la production industrielle. Par exemple, 80 % des pièces structurelles composites thermoplastiques renforcées de fibres de carbone utilisées dans le fuselage, le gouvernail de direction, les gouvernes de profondeur, les revêtements d'ailes et les ailerons de queue sont fabriquées par moulage en autoclave.

Pendant le processus de moulage en autoclave, le préimprégné est scellé dans un sac sous vide à l'intérieur du moule, garantissant une pression uniforme de l'air comprimé dans toutes les directions. Le flux d'air comprimé à grande vitesse à l'intérieur de l'autoclave assure un chauffage uniforme pendant les phases de chauffage et de refroidissement. De plus, la pression et la température stables à l’intérieur de l’autoclave entraînent une faible porosité et une répartition uniforme des fibres dans les produits composites. Ainsi, les produits thermoplastiques renforcés de fibres de carbone moulés en autoclave présentent une répartition uniforme de la pression/chaleur et une qualité stable, ce qui rend ce procédé adapté à la production de pièces structurelles de grande taille et complexes. Cependant, les inconvénients incluent des équipements volumineux et complexes, une consommation d’énergie élevée, des coûts d’investissement et de production importants et un faible rendement.

Processus de moulage par compression

Le moulage par compression implique différentes étapes telles que la plastification du matériau, l'écoulement pour remplir la cavité du moule et le durcissement de la résine. Pendant l'écoulement du matériau de moulage composite thermoplastique renforcé de fibres de carbone dans la cavité du moule, la résine thermoplastique et la fibre de carbone de renforcement à haute résistance doivent s'écouler, ce qui entraîne une pression de moulage plus élevée par rapport aux autres méthodes. Ce processus nécessite une presse hydraulique capable de contrôler la pression et des moules métalliques de haute résistance, de haute précision et résistant aux températures élevées. Wuxi Zhishang New Material utilise généralement des méthodes de moulage par autoclave et par compression pour fabriquer des produits composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone.

Les produits renforcés de fibres de carbone thermoplastiques moulés par compression présentent une faible contrainte interne, un gauchissement minimal, des surfaces lisses, une précision dimensionnelle élevée, des propriétés mécaniques stables, un faible retrait et une bonne répétabilité. Cette méthode convient au moulage de grands produits plats avec une efficacité de production élevée et la capacité de mouler des structures complexes en une seule fois, facilitant la production de masse, la spécialisation et l'automatisation. Cependant, la complexité et le coût élevé de la fabrication des moules, les longs cycles de moulage et les difficultés liées au remplissage complet du moule constituent des inconvénients notables dans les applications en fibre de carbone.

Processus d'enroulement de filament

L'enroulement filamentaire consiste à préchauffer des fibres de carbone continues à haute résistance imprégnées de résine et à les enrouler sur un mandrin. Le chauffage continu et l'application de pression consolident le préimprégné en une structure unifiée, formant le composant souhaité couche par couche. Des facteurs tels que la température de chauffage, la méthode d'enroulement, l'espace d'extrusion, la température de la résine et la tension d'enroulement des fibres ont un impact direct sur la qualité du produit.

Comparé au processus en autoclave, l'enroulement filamentaire est plus propice à la production mécanisée et permet d'ajuster les performances de résistance des fibres de carbone en modifiant les modèles d'enroulement. Cependant, en raison de l'incapacité des fibres de carbone à adhérer étroitement à la surface du mandrin lors du bobinage, cette méthode n'est pas adaptée à la fabrication de pièces présentant des surfaces concaves ou convexes.

Processus de pultrusion

La pultrusion consiste à imprégner des fibres de carbone à haute résistance dans de la résine et à les tirer à travers une filière où elles sont façonnées et durcies sous pression, formant ainsi des longueurs continues de produits composites. Ce procédé est adapté à la fabrication de composants continus à section constante, ce qui signifie qu'il ne peut produire que des profils linéaires et non des pièces structurelles de forme complexe. De plus, en raison des propriétés anisotropes des produits, leur résistance transversale est limitée, ce qui présente des contraintes d'application dans les produits renforcés par des fibres de carbone.

Pour la production à grande échelle de produits thermoplastiques renforcés de fibres de carbone linéaires, ce processus offre une automatisation élevée, une faible consommation d'énergie, une teneur élevée en fibres de carbone, une qualité de produit stable et une faible consommation de matières premières. Il s’agit d’une méthode privilégiée pour produire des types de produits spécifiques.

Les technologies émergentes

Ces dernières années, de nombreuses nouvelles technologies de moulage de produits composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone ont vu le jour dans le monde. Ceux-ci incluent le placement automatique des fibres, la consolidation rapide par ultrasons, la consolidation laser, le durcissement par faisceau d'électrons, le moulage assisté par vide et l'impression 3D. Ces nouvelles technologies offrent un rendement élevé, un faible coût, une faible consommation d'énergie et un degré élevé d'automatisation. Cependant, compte tenu du niveau technologique actuel de la Chine, il subsiste un écart important en matière de recherche et d'application pratique par rapport aux pays développés. Pendant une période considérable, les méthodes de moulage traditionnelles continueront à être essentielles pour produire des pièces structurelles composites thermoplastiques renforcées de fibres de carbone et d'autres produits destinés aux applications en fibre de carbone.