Mandrins & inserts - A202

Noyaux et inserts
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Introduction

Les structures composites utilisent fréquemment des matériaux d'âme légers pour diverses raisons. L'application la plus courante est la fabrication de panneaux sandwich . Le matériau d'âme augmente le moment d'inertie en espaçant le matériau à haute résistance de l'axe neutre, où les contraintes de traction ou de compression sont élevées en flexion. Les matériaux d'âme peuvent également fournir une couche à haute perméabilité facilitant l' écoulement de la résine lors du moulage liquide. Parmi les matériaux d'âme courants, on trouve le bois, les structures alvéolaires métalliques et non métalliques, ainsi que les mousses à cellules ouvertes et fermées .

Domaine

Cette section aborde les procédés de fabrication et les applications courantes des matériaux à âme alvéolaire, en bois et en mousse. Elle traite également des propriétés des matériaux d'âme et de leur sélection lors de la conception d'un produit composite . Une liste de matériaux d'âme et de fournisseurs d'inserts est fournie.

Importance

Les panneaux sandwich sont largement utilisés dans le secteur aérospatial et de plus en plus dans les transports, l'énergie, le secteur maritime, etc. Il est crucial de comprendre les propriétés des matériaux de base afin de sélectionner le matériau approprié et de concevoir et fabriquer des panneaux sandwich répondant aux exigences de performance.

Pré-requis :

Documents recommandés à consulter avant ou en parallèle avec ce document :

• Polymères thermodurcissables - A105
• Polymères thermoplastiques - A161
• A144
• A145
• A146

Types de matériaux de base

Le bois

Les matériaux de bois couramment utilisés pour les âmes de composites comprennent le balsa, l'acajou, l'épicéa et le peuplier. Bien que tout type de bois puisse en principe être laminé entre deux feuilles de parement pour former une structure sandwich, le bois de balsa (Ochroma pyramidale) est le matériau le plus fréquemment employé pour les âmes de composites en raison de son faible coût, de sa faible densité, de ses propriétés mécaniques relativement élevées et d'autres propriétés. Le bois de balsa est un matériau cellulaire composé de fibres (66 à 76 %), de rayons (20 à 25 %) et de vaisseaux (3 à 9 %) . Pour être utilisé comme âme de composite, le bois de balsa est coupé transversalement au fil du bois, puis les morceaux sont réassemblés (par collage) côte à côte de manière à ce que le fil du bois soit perpendiculaire à la surface de l'âme ; on parle alors de balsa de bout. [pic] La densité d'une âme en balsa de bout peut varier de 100 à 300 kg/m³

Balsa à grain fin

Outre les avantages mentionnés précédemment, les âmes en balsa à fibres verticales présentent une résistance élevée à la compression et au cisaillement, une bonne tenue à la fatigue et sont faciles à usiner. Selon le matériau et le procédé de fabrication des parements, ces derniers peuvent être directement stratifiés sur l'âme sans adhésif. Les inconvénients des âmes en balsa à fibres verticales incluent une faible conformabilité, une grande variabilité de leurs propriétés (l'âme étant constituée de petits blocs collés entre eux) et une forte sensibilité à l'humidité. Au lieu de coller les petits blocs côte à côte, le balsa peut être produit sous forme de feuilles flexibles où les petits blocs sont maintenus par une trame textile, permettant ainsi à l'âme d'épouser, dans une certaine mesure, les courbes. La sensibilité à l'humidité peut être atténuée par une étanchéité adéquate de l'âme .

L'acajou ou l'épicéa ont également été utilisés comme inserts à haute résistance pour fermer les panneaux sandwich. Cependant, les extrusions d'aluminium sont des remplacements plus récents. En général, la conductivité thermique du bois dans le sens du fil est plus élevée (environ 2.5 fois) que dans le sens parallèle au fil.

Les âmes en bois de bout sont largement utilisées dans les applications marines et sportives. Les principaux fabricants d'âmes en balsa sont les suivants :

• Alcan Baltek Corp
• DIAB
• Noyau Nida

rayon de miel

Veuillez visiter Honeycomb

MOUSSE

Veuillez visiter Foam

Propriétés du matériau de base

Les propriétés générales

La densité du noyau est généralement mesurée en livres par pied cube (lbs/ft ³ ) ou en grammes par centimètre cube (g/cm ³ ).

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques du noyau dépendent fortement du matériau et de la densité du noyau. Pour les noyaux en nid d'abeille, la taille des cellules, la configuration et le procédé de fabrication peuvent également affecter les propriétés mécaniques du noyau. Les propriétés mécaniques des noyaux en nid d'abeille sont généralement directionnelles.

Les panneaux sandwich soumis à la flexion peuvent se rompre par déformation plastique des peaux, par flambage (plissement) des peaux, par cisaillement de l'âme ou par indentation des peaux. Selon le mode de rupture, le module d'Young, le module de cisaillement, la limite d'élasticité et la limite d'élasticité en cisaillement de l'âme, ou une combinaison de ces propriétés mécaniques, peuvent influencer la rupture des panneaux sandwich. Les valeurs du module et de la résistance à la compression sont généralement fournies par les fabricants. En général, les structures en nid d'abeille présentent une meilleure résistance et un meilleur module de cisaillement et de compression que les structures en mousse (voir tableau

Propriétés thermiques

Selon les fonctions du panneau sandwich ou de l'âme autonome, la chaleur spécifique Cp _et la diffusivité thermique de l'âme doivent être prises en compte lors du choix du matériau. L'âme, les peaux et l'adhésif doivent également présenter un coefficient de dilatation thermique compatible afin de résister aux cycles thermiques en service et d'assurer la stabilité dimensionnelle.

Autres propriétés

D'autres propriétés à prendre en compte lors de la sélection d'un matériau de noyau comprennent :

• Résistance aux produits chimiques et à la corrosion
• Résistance à l'humidité
• Inflammabilité
• Amortissement acoustique
• Blindage EMI/RFI

Traitement des matériaux de base

Nettoyage et séchage

Les matériaux de base doivent être propres et exempts de toute contamination ou de résidus de solvant avant d'être collés ou assemblés en panneaux sandwich. La contamination qui se produit pendant le transport, la réception, le stockage, le formage ou l'usinage peut avoir un impact important sur la résistance de la liaison. La poussière provenant de l'usinage, par exemple, peut être essuyée avec un chiffon à fromage propre ou soufflée à l'air comprimé. La graisse ou la cire sur les nids d'abeilles métalliques peuvent être nettoyées par vapeur de solvant ou par bain. Selon le matériau de base et le type de contamination, différentes méthodes de nettoyage peuvent être utilisées.

L'humidité présente dans l'âme avant collage peut nuire à la qualité de l'adhérence entre l'âme et la feuille de parement. Lors de la transformation thermique, la pression de la vapeur peut provoquer des cloques entre l'âme et la feuille de parement ou, dans le cas d'âmes à cellules ouvertes (comme les âmes en nid d'abeille), endommager ou détruire l'âme. Pour éliminer l'humidité, les âmes peuvent généralement être séchées au four . Selon le matériau de l'âme, la température de séchage peut varier de 60 °C à 121 °C (140 °F à 250 °F). La durée de séchage est généralement d'au moins 120 minutes. Les conditions de stockage doivent également être spécifiées afin d'éviter l'absorption d'humidité. Lors du dépôt du matériau , l'âme placée dans un moule doit être recouverte d'un film adhésif ou d'un préimprégné dans les 24 heures suivant sa sortie du stockage. Les parties exposées de l'âme doivent être recouvertes de sacs sous vide scellés au moule.

Mise en forme

La courbure et la complexité géométrique peuvent être formées dans les noyaux avant l'étape de dépôt du matériau. En général, plus le noyau est dense et épais, plus il est difficile à former. Voici quelques matériaux de noyau courants et leurs méthodes de formation :

• Les nids d'abeilles métalliques peuvent être formés mécaniquement avec ou sans chaleur
• Les nids d'abeilles non métalliques sont généralement formés thermiquement (chaleur)
• Les noyaux en mousse sont généralement formés thermiquement (chaleur)
• Le noyau du bois peut être formé par la chaleur et l'humidité. Le bois devient malléable après trempage dans l'eau chaude. Le bois peut ensuite être mis en forme et séché.

Le formage thermique consiste à chauffer le noyau à la température de formage puis à le forcer à prendre la forme souhaitée (à l'aide du vide, d'un poids mécanique, de matrices, etc.). Le formage thermique peut altérer les propriétés mécaniques et peut avoir tendance à revenir à la forme initiale.

La formation du noyau étant une étape de traitement supplémentaire, elle peut nécessiter un outillage et un équipement supplémentaires. L'augmentation du temps et du coût de fabrication d'un produit doit être soigneusement prise en compte lors de la conception.

Épissage

Des sections de noyau plus petites peuvent être assemblées pour construire un noyau plus grand aux géométries plus complexes. Différents matériaux de noyau peuvent également être assemblés afin de tirer parti de leurs propriétés distinctes. Il est fréquent d'insérer un noyau dans un autre de manière à l'entourer complètement, afin de modifier les propriétés locales. Lors d'une telle insertion, le noyau inséré est généralement découpé légèrement plus grand que sa dimension nominale pour un ajustement précis. Lors de l'assemblage de noyaux, il est également recommandé d' aligner leurs orientations. Par exemple, en alignant les directions des rubans de deux noyaux en nid d'abeille.

Lors de l'assemblage de deux ou plusieurs matériaux de base différents, il est important de s'assurer que le panneau sandwich final sera plat et sans marches au niveau de l'assemblage. Si un matériau de base est plus souple, il peut être légèrement plus épais pour « correspondre » au module de compression des autres. Les noyaux assemblés peuvent également être usinés pour être lisses avant d'être déposés dans un panneau sandwich.

Les adhésifs de raccordement doivent être soigneusement sélectionnés en tenant compte de l'historique thermique complet des panneaux sandwich. Si le panneau sandwich est en cours de co-polymérisation, l'adhésif doit être compatible avec la feuille de parement et les exigences de polymérisation de l'adhésif. Certaines caractéristiques de moussage peuvent être requises lors du raccordement des noyaux en nid d'abeille.

Usinage

Les noyaux peuvent également être usinés pour obtenir des géométries et des contours complexes. Lors de l'usinage des noyaux, il est très important d'éviter toute contamination afin que toute liaison ultérieure des noyaux ne soit pas affectée. Aucune huile ou autre type de lubrifiant ne doit être utilisé, sauf indication contraire, et il faut prévoir de les éliminer avant le collage. Il est également courant de disposer d'équipements et de cellules de travail dédiés à l'usinage des noyaux pour éliminer la contamination.

La finition de la surface usinée peut également avoir un impact sur le collage ultérieur. Par exemple, les bavures/peluches sur les bords des cellules en nid d'abeille après l'usinage peuvent soit faciliter le collage en « mordant » dans l'adhésif, soit empêcher la formation correcte du congé. L'évaluation doit être effectuée au cas par cas.

Les noyaux en nid d'abeilles de très faible densité ou de poids léger peuvent nécessiter une stabilisation par scellage ou enrobage avant l'usinage. Comme pour le formage des noyaux, l'usinage nécessite des outils et équipements supplémentaires, ce qui augmente les coûts et la complexité de la fabrication du produit.

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Références

À propos	Aide

La perméabilité fait référence à la résistance à l'écoulement d'un fluide à travers un matériau poreux.

• Flux de résine à travers la fibre
• Flux de gaz à travers le préimprégné

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Une mesure quantitative de la façon dont un matériau répondra à des conditions thermiques transitoires. Il est défini comme le rapport de la conductivité thermique à la capacité thermique volumétrique du matériau (densité multipliée par la capacité thermique spécifique).

Les matériaux à grande diffusivité thermique ont une conductivité thermique élevée par rapport à leur capacité à stocker de l'énergie (capacité thermique) et répartiront rapidement l'énergie thermique dans tout son volume et changeront rapidement de température pour atteindre la nouvelle température d'équilibre.

Les matériaux à faible diffusivité thermique ont une faible conductivité thermique par rapport à leur capacité à stocker de l'énergie (capacité thermique) et auront une réponse de température lente à un changement des conditions thermiques (grand décalage de température). En effet, il faut plus d'énergie par unité de volume pour modifier la température, et la faible conductivité thermique signifie qu'il faut plus de temps pour répartir l'énergie thermique dans tout son volume.

Action d'associer fibre de renfort, résine pour façonner sur un moule (outil).

Il existe trois méthodes principales pour combiner la résine et la fibre à déposer sur un outil (c'est-à-dire le dépôt de matériau) :

• Procédés humides : mélange de résine liquide et de fibres sèches directement dans le moule, par exemple le procédé de moulage par compression humide pour les pièces de la BMW série 7
• Procédés de moulage composite liquide (LCM) : infuser un tissu sec avec de la résine à l'aide d'un gradient de pression, par exemple le procédé de moulage par transfert de résine à haute pression (HP RTM) pour les pièces de la BMW i3
• Processus de pré-imprégnation : Pose à l'aide de pré-imprégné où la résine et la fibre sont déjà combinées, par exemple le processus de pose de bande automatisée (ATL) pour certaines des pièces du Boeing 787.

Le matériau pré-imprégné (prepreg) fait référence à une fibre déjà combinée à de la résine. C'est la forme de matériau la plus couramment utilisée dans l'aérospatiale.

Pendant la production du préimprégné (par exemple, les fibres sont passées dans un bain de résine), le préimprégné est chauffé et partiellement durci au stade B (< 5 % de degré de durcissement). Les préimprégnés thermodurcissables (par exemple les préimprégnés époxy) doivent être conservés au congélateur à environ -20 °C. À température ambiante, l'époxy commence à durcir.

Toute activité de fabrication et/ou de prise de décision qui se produit à n'importe quelle étape du cycle de conception de développement (par exemple, de la conception à la production).

Dans le contexte des connaissances en pratique, la pratique fait référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques pour réduire les risques, les coûts et le temps de développement des composites.