1. Explication détaillée du processus de pressage à chaud des fibres de carbone

Procédé de fabrication avancé qui utilise un récipient sous pression scellé (cuve de presse à chaud) pour appliquer une température, une pression et un vide contrôlables à la fibre de carbone pré-imprégnée (fibres de résine pré-imprégnées) posée sur un moule, ce qui lui permet de se solidifier et de former des pièces composites de haute performance.

2. Vue d'ensemble du processus de cuisson à chaud de la fibre de carbone

Le procédé de pressage à chaud est la méthode la plus courante pour fabriquer des composants composites en fibre de carbone de haute performance, de haute précision et de structure complexe. Il permet d'obtenir une distribution uniforme de la chaleur, une pression élevée (pression de gaz) et un environnement de pression négative sous vide fourni par la cuve de la presse à chaud.

3. Caractéristiques du procédé de cuisson à chaud

Pression élevée et uniforme : un gaz à haute pression (généralement de l'air comprimé ou de l'azote, avec une pression de plusieurs MPa, voire plus) est appliqué uniformément sur le sac à vide depuis toutes les directions.

La clé pour obtenir un volume de fibres élevé et une faible porosité est de parvenir à un compactage uniforme de la couche. Supérieur au processus de pressage de sacs sous vide reposant uniquement sur la pression atmosphérique.

Chauffage uniforme : La circulation d'air chaud ou le chauffage à l'intérieur de la cuve de la presse à chaud fournit un champ de température très uniforme, assurant un durcissement synchrone de l'ensemble du composant (en particulier les grandes pièces complexes), réduisant la déformation due à la contrainte thermique et la contrainte interne.

4. Processus de fabrication d'une cuve de presse à chaud pour fibres de carbone

1. Préparation du matériel

Sélection et découpe du matériau pré-imprégné : Sélectionner le matériau pré-imprégné de fibres de carbone approprié (type de résine, type de fibres, densité de surface, direction de la couche) en fonction des exigences de la conception. Utiliser des machines de découpe automatiques ou une découpe manuelle de précision pour obtenir la forme et l'angle souhaités.

Préparation des matériaux auxiliaires : Préparer les tailles et les types correspondants de film pour sac sous vide, de feutre respirant, de tissu de démoulage, de film de démoulage, de bande de scellage, de joint sous vide, de bande autocollante, etc.

2. Conception et préparation du moule

Conception du moule : Tenir compte de la forme, de la précision dimensionnelle, de l'adéquation du coefficient de dilatation thermique, de la rigidité, de la résistance (pour supporter une pression élevée), de la méthode de démoulage, de l'efficacité du chauffage, de l'étanchéité, etc. de la pièce à usiner. Les matériaux courants sont l'acier, l'Invar (alliage à faible dilatation), les moules en matériaux composites ou les moules souples en caoutchouc de silicone.

Nettoyage du moule et application de l'agent de démoulage : Nettoyez soigneusement la surface du moule pour vous assurer qu'il n'y a pas de graisse ou de poussière. Appliquer (par pulvérisation ou essuyage) un agent de démoulage à haute température (tel que de la cire ou un agent de démoulage semi-permanent) uniformément sur la surface de travail du moule pour former une couche d'isolation.

Il arrive que l'on utilise une toile antiadhésive pour recouvrir la surface du moule.

3. Mise en place

Pose du matériau pré-imprégné : Poser avec précision les couches de matériau pré-imprégné coupées sur la surface du moule en respectant l'ordre, l'angle et la position de pose prévus. Un alignement précis est nécessaire pour éviter les plis, les désalignements et la pénétration de corps étrangers. Il est parfois nécessaire de compacter et d'épuiser le matériau entre les couches.

Mise en place de l'insertion : si nécessaire, placer des inserts métalliques, des patchs précuits, des connecteurs ou des matériaux d'âme (nid d'abeille, mousse, etc.).

4. Mise sous vide

Il s'agit d'une étape cruciale et minutieuse

Pose séquentielle des matériaux auxiliaires : Couvrir la surface de la couche dans l'ordre

Tissu de démoulage : empêche la résine d'adhérer au feutre respirant, garantissant ainsi la qualité de la surface des pièces.

Feutre respirant/feutre absorbant : fournit des canaux pour l'écoulement de la résine et l'évacuation des gaz. Le feutre absorbant est également utilisé pour absorber l'excès de résine.

Film d'isolation (tel que le film FEP) : optionnel, empêche le feutre respirant/le feutre adhésif de coller au film du sac sous vide.

Film pour sac sous vide : il couvre l'ensemble de la couche et le bord du moule, formant un espace fermé.

Scellage : Utiliser du ruban adhésif pour coller étroitement le film du sac sous vide au bord de scellement du moule, afin d'éviter toute fuite d'air.

Raccordement de la tuyauterie de vide : Installer un tuyau de raccordement au vide à un endroit approprié (généralement au-dessus du feutre respirant) et le raccorder au système de vide de la cuve de la presse à chaud.

Test du degré de vide : Mettre sous vide (généralement requis pour atteindre au moins -0,08 MPa ou plus), vérifier l'étanchéité, s'assurer qu'il n'y a pas de fuite et maintenir la pression pendant un certain temps. Le degré de vide est la clé pour assurer le compactage et l'échappement.

5. Moulage par presse à chaud (cycle de durcissement)

Pousser les composants du moule emballés dans la boîte de pressage à chaud, fermer la porte de la boîte et la sceller.

Pompage à vide : Démarrer le système de vide, maintenir et surveiller le niveau de vide

Pressurisation : Remplir le réservoir de gaz comprimé (air ou gaz inerte tel que l'azote) et le pressuriser jusqu'à la valeur cible selon le programme établi (généralement par étapes). La pression est transmise uniformément à la pièce à travers le sac à vide.

Chauffage : Démarrer le système de chauffage (circulation d'air chaud ou chauffage) et augmenter la température en fonction de la courbe de température et de temps définie avec précision (courbe de durcissement). La courbe est déterminée par la cinétique de durcissement du système de résine (y compris la vitesse de chauffage, la température et la durée de la plate-forme d'isolation, la vitesse de refroidissement, etc.)

Durcissement de l'isolation : Maintenir un temps d'isolation suffisant à la température de durcissement cible pour s'assurer que la résine est entièrement réticulée et durcie. La pression et le vide sont maintenus en permanence pendant cette étape

Refroidissement : Le programme contrôle la vitesse de refroidissement (généralement plus lente) pour éviter la déformation ou la fissuration des pièces en raison de la contrainte thermique. La pression et le vide doivent généralement être maintenus pendant la phase initiale de refroidissement et peuvent être progressivement relâchés par la suite.

Relâchement de la pression : Une fois que la température est redescendue à un niveau sûr, la pression à l'intérieur du réservoir se relâche lentement.

Sortie de la boîte : Ouvrez la porte de la boîte et retirez les composants du moule.

6. Démoulage et post-traitement

Démontage du système de mise sous vide : Retirer soigneusement le film du sac sous vide et tous les matériaux auxiliaires (toile de séparation, feutre respirant, etc.).

Démoulage : À l'aide d'un mécanisme ou d'un outil de démoulage conçu pour le moule, séparer soigneusement les pièces durcies du moule. Des compétences sont nécessaires pour éviter d'endommager les pièces et les moules.

Découpage et usinage des bords : Éliminer les bavures, les coulures de colle et les surépaisseurs de traitement. Effectuer les traitements mécaniques nécessaires tels que le perçage, le découpage, le fraisage, etc. pour obtenir les dimensions finales et répondre aux exigences d'assemblage.

Essais non destructifs : utilisation d'essais ultrasoniques (UT), de rayons X, d'essais d'impact et d'autres méthodes pour vérifier la présence de défauts tels que la délamination, les pores, les inclusions à l'intérieur de la pièce à usiner.

Traitement de surface : nettoyage, polissage (si nécessaire), préparation en vue d'une peinture ou d'un assemblage ultérieur.

Inspection finale et livraison : Effectuer des inspections finales sur les dimensions, l'apparence, les performances, etc. et livrer après avoir passé l'inspection.

5. Avantages et inconvénients du procédé de pressage à chaud des fibres de carbone

Avantages

Qualité extrêmement élevée des composants : contenu volumique élevé en fibres (>60%), porosité extrêmement faible (<1%) et propriétés mécaniques optimales (résistance, rigidité, performance à la fatigue).

Excellente qualité de surface : La surface de contact du moule (surface d'adhérence) peut atteindre une surface lisse de classe A ou proche de la classe A.

Excellente précision dimensionnelle et stabilité : grande précision du moule, pression de polymérisation uniforme, champ thermique uniforme, bon contrôle de la taille des pièces et déformation minimale.

Capacité puissante à former des structures complexes : possibilité de fabriquer de grandes surfaces courbes complexes, des épaisseurs variables, des nervures renforcées, des structures en sandwich et d'autres composants difficiles à former avec d'autres méthodes.

Grande maturité du processus : Appliqué dans l'aérospatiale et dans d'autres domaines depuis des décennies, le processus est stable et fiable, avec des normes et des spécifications complètes.

Large choix de matériaux : convient à diverses matrices de résine haute performance (époxy, bismaléimide, polyimide, thermoplastique, etc.) et aux fibres de carbone préimprégnées.

Inconvénients

1. Le coût de l'équipement est extrêmement élevé : l'investissement dans la grande cuve de presse à chaud elle-même et dans ses équipements auxiliaires (compresseur d'air, système de vide, système de refroidissement, système de contrôle) est énorme.

2. Coût élevé des moules : les moules qui requièrent une résistance aux températures et aux pressions élevées, une grande précision et un faible coefficient de dilatation thermique (comme l'Invar) sont difficiles à fabriquer et ont un coût élevé.

3. Une énorme consommation d'énergie : Les processus de chauffage, de pressurisation et de mise sous vide consomment une très grande quantité d'énergie.

4. Cycle de traitement long : L'ensemble du processus de préparation, de pose, d'emballage, de durcissement, de refroidissement et de post-traitement prend beaucoup de temps (en particulier pour le durcissement de grandes pièces à parois épaisses), ce qui se traduit par une efficacité de production relativement faible.

5. Consommation et coût élevés des matériaux auxiliaires : Le matériel du système de sacs sous vide est un consommable jetable, avec une grande quantité d'utilisation et un coût élevé.

6. Fonctionnement complexe et dépendance à l'égard de l'expérience : Les processus de pose et d'emballage font largement appel à des travailleurs qualifiés, et la formulation et l'optimisation des paramètres du processus de durcissement nécessitent également des connaissances professionnelles approfondies.

7. Limitation de la taille : La taille du composant est limitée par le volume de la presse à chaud.

8. Défi environnemental : Les résines peuvent libérer des composés organiques volatils (COV) à haute température et sous pression, ce qui nécessite un traitement.

6. Domaines d'application de la technologie des cuves de pressage à chaud des fibres de carbone ; tendances futures du développement

Champ d'application

Aérospatiale (domaine principal) : structures portantes principales des aéronefs (ailes, panneaux de fuselage, ailerons de queue, poutres, nervures), composants de moteurs (aubes de ventilateur, carters), structures de satellites, composants d'engins spatiaux, structures de véhicules aériens sans pilote, etc.

Matériel sportif haut de gamme : cadres de bicyclettes, raquettes de tennis, clubs de golf, pièces de course, bateaux d'aviron, skis/poteaux haute performance, etc.

Industrie automobile (haute performance/course) : Carrosserie monocoque de course de F1, composants structurels, composants de châssis, pièces de prototypes de composants de revêtement de carrosserie pour voitures de sport à haute performance, etc.

Défense nationale et industrie militaire : corps de missile, couverture de radar, structure de véhicule aérien sans pilote, composants de véhicule blindé, etc.

Domaine industriel : composants d'équipements médicaux haut de gamme (tels que les plaques de lit de scanner CT/MRI, les instruments orthopédiques), bras de robot, composants structurels d'instruments de précision, diaphragmes audio haut de gamme, etc.

Nouvelles énergies : pales d'éoliennes (certaines pièces clés), bouteilles d'hydrogène, composants de piles à combustible, etc.

Résumé

Le procédé de pressage à chaud de la fibre de carbone est la norme de référence pour la fabrication des composants en matériaux composites les plus performants et de la plus haute qualité, en particulier les composants structurels complexes et de grande taille.

Elle permet d'obtenir un compactage complet, une faible porosité et une réaction de durcissement précise et contrôlable des matériaux grâce à l'environnement uniforme à haute température, haute pression et vide fourni par la cuve de la presse à chaud, conférant ainsi aux pièces des propriétés mécaniques et une précision dimensionnelle inégalées.

Toutefois, les coûts élevés des équipements, des moules, de l'énergie et des matériaux, ainsi que la longueur des cycles de traitement, constituent les principaux obstacles à son application à grande échelle

Les principaux domaines d'application de ce procédé sont l'aérospatiale, les équipements sportifs haut de gamme, les automobiles/voitures de course à haute performance, la défense nationale et les industries militaires, ainsi que d'autres scénarios exigeant des performances extrêmement strictes et une forte valeur ajoutée.