Panneaux Sandwich - A325

Panneaux sandwich
Article pratique
Type de document	Article
Identificateur de document	325
Classe pertinente	Forme
Tags	Inserts Forme Panneaux sandwich
Pré-requis :	Noyaux et inserts

Introduction

Les panneaux sandwich sont généralement construits à partir d'un core Matériau collé entre deux feuilles minces à haute résistance par adhésif ou par d'autres méthodes de collage. Tout comme une poutre en I, le noyau supporte les charges de cisaillement tout en espaçant le matériau à haute résistance de l'axe neutre où les charges de traction ou de compression sont élevées en flexion. Ce type de construction augmente le moment d'inertie et rend la structure plus efficace dans les applications critiques de rigidité tout en étant très légère. Étant donné que les noyaux sont répartis en continu sur toute la section transversale, les structures sandwich offrent généralement une meilleure rigidité en torsion que les poutres en I. Les structures sandwich peuvent également offrir des fonctions telles que l'absorption/l'amortissement de l'énergie, le blindage contre les radiofréquences et la résistance aux chocs.

Domaine

Cette page traitera de la matériaux constitutifs, conception, fabrication et contrôle qualité des panneaux sandwich. Un panneau sandwich peut être assemblé/fabriqué par co-durcissement, co-liage et collage secondaire. De brèves descriptions de chaque processus sont les suivantes :

• Co-durcissement : les deux faces durcissent en même temps que l'adhésif
• Co-liaison : collage d'une feuille de surface prédurcie au noyau avec un adhésif tandis que l'autre feuille de surface non durcie durcit et que l'adhésif se lie au noyau en même temps
• Collage secondaire : collage d'un ou deux prépolymérisés pierre composite feuilles de surface au noyau à l'aide d'un adhésif. Ce terme s'applique également à collage tôles de parement en aluminium jusqu'au noyau

Il est important de noter que l'utilisation de ces termes n'est pas uniforme dans l'industrie des composites. Les implications de ces termes peuvent différer lorsqu'ils sont appliqués à des stratifiés solides, à des structures renforcées ou d'une entreprise à l'autre. Pour cette section et d'autres sujets liés aux panneaux sandwich sur le Centre de connaissances en pratique, les termes sont définis comme ci-dessus, sauf indication contraire.

Importance

Les panneaux sandwich sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Leurs propriétés les plus remarquables sont leur légèreté, leur grande rigidité, leur isolation et leur absorption d'énergie. Pour réussir à produire des panneaux sandwich de bonne qualité et performants, il est essentiel de comprendre les éléments, leurs propriétés et les différents processus de fabrication.

Pré-requis :

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

• Mandrins & inserts - A202
• Développement de forme - P151.0

Matériaux des panneaux sandwich

Coloré

Les matériaux de base sont disponibles dans une large gamme de matériaux avec des variations au sein de l'architecture de base pour des applications spécifiques. Mandrins & inserts - A202 contient des discussions détaillées sur les différents matériaux de noyau. En plus des exigences structurelles, l'adéquation du matériau à la géométrie requise doit également être prise en compte. De nombreux matériaux de noyau sont rigides et limités dans leur capacité à se conformer à une géométrie courbe sans se fendre. Des processus d'usinage ou de formage de noyau peuvent être mis en œuvre avec certains matériaux pour obtenir une courbure plus importante ou plus complexe et certains noyaux (mousse) peuvent être moulés selon des formes complexes. Cependant, les étapes de traitement supplémentaires et les coûts peuvent parfois être évités en sélectionnant un matériau de noyau mieux adapté à la courbure requise ou en concevant des sections à noyau en tenant compte des limites du matériau.

Il existe des options permettant d'utiliser des noyaux en mousse semi-rigide, en bois ou en liège qui présentent des rainures (tranches partiellement sur l'épaisseur) sur un ou les deux côtés pour permettre une conformabilité supplémentaire. Lors de l'utilisation de tels produits, il est important de toujours tester la conformabilité du noyau à la courbure requise. D'autres considérations doivent être prises en compte pour l'augmentation du poids due à l'augmentation de la résine-absorption dans les noyaux marqués. Se référer à Noyaux et inserts pour différents types de noyaux et leurs propriétés.

Les pièces moulées composites fabriquées avec des noyaux non conformes à la géométrie peuvent entraîner des zones riches en résine, des vides d'air, une diminution des propriétés mécaniques, une augmentation du poids et des dommages potentiels au noyau.

Les méthodes de production des sections et des assemblages de noyau doivent être prises en compte lors du processus de conception. Cela peut inclure des processus tels que le formage, le moulage de noyaux monoblocs, l'usinage CNC, l'assemblage des sections à noyau à partir de plusieurs pièces ou la découpe et le façonnage du noyau à la main. Selon les processus disponibles, des limitations dans la production de certaines géométries doivent être prises en compte. Une géométrie de noyau simplifiée peut être nécessaire dans certains cas pour garantir qu'elle peut être traitée de manière cohérente et rentable.

Noyau en nid d'abeille Nomex usiné CNC

Feuilles de visage

Les mêmes matériaux composites utilisés pour fabriquer des stratifiés solides (monolithiques) peuvent généralement être utilisés comme feuilles de parement sandwich. Cependant, en fonction des différents matériaux de base, des adhésifs et du processus de fabrication, le même matériau composite fabriqué sous forme de feuilles de parement peut avoir une apparence esthétique et des propriétés mécaniques sensiblement différentes de celles des stratifiés solides. L'adéquation d'un matériau de feuille de parement composite peut être évaluée en créant un prototype du panneau sandwich, en usinant le noyau et en effectuant des tests mécaniques pour obtenir les propriétés de la feuille de parement. Les propriétés de la feuille de parement sont ensuite comparées à celles d'un stratifié solide fabriqué à partir du même matériau composite. Les pertes de charge ont tendance à être importantes en compression.

Les préimprégnés avec un excès de résine peuvent être utilisés comme feuilles de surface autocollantes. L'excès de résine sert d'adhésif qui se lie au noyau (forme des filets sur les bords des cellules lors de la liaison à un noyau en nid d'abeille). Cependant, cela est généralement limité aux applications à charge légère où la force de liaison du noyau à la feuille de surface n'est pas critique.

La feuille de surface peut présenter des défis importants pour les panneaux sandwich co-durcis avec des noyaux à cellules ouvertes (comme les nids d'abeilles). Étant donné que les feuilles de surface ont tendance à se draper dans la cellule pendant le durcissement, des ondulations peuvent se former et provoquer une perte de pression de résine dans le stratifié composite. Les ondulations de la feuille de surface sont un problème courant lors de la fabrication de panneaux sandwich en nid d'abeilles, qui sera abordé dans les sections ci-dessous.

Adhésifs

Les adhésifs utilisés pour les panneaux sandwich sont généralement des films d'une épaisseur non durcie de 0.075 mm à 0.38 mm. Ces adhésifs en film sont généralement thermodurci polymères qui nécessitent un processus de transformation thermique (durcissement). Si l'adhésif est durci en même temps que le (préimprégné) pour les feuilles de face, l'adhésif doit être compatible avec la résine préimprégnée afin qu'un troisième matériau plus faible ne soit pas créé à l'interface.

Les adhésifs en film peuvent être supportés ou non. Les adhésifs en film supportés sont constitués d'un support en polyester, en verre ou en nylon à tissage lâche ou d'une « toile » qui facilite la manipulation et contrôle l'épaisseur de la ligne de collage. Le support/la toile peut être intégré dans l'adhésif en film ou sur la surface. Si le support est sur la surface, il est essentiel qu'il soit face au noyau pour une résistance de liaison optimale. Les adhésifs en film non supportés sont généralement extrêmement légers et réticulés lorsqu'ils sont utilisés avec des noyaux en nid d'abeille. Pendant la réticulation, l'adhésif en film non supporté est d'abord appliqué sur le nid d'abeille et chauffé de manière à ce que le film adhère aux bords des cellules en nid d'abeille. De l'air chaud sous pression est ensuite soufflé à travers les cellules en nid d'abeille, ce qui provoque la rupture de l'adhésif en film non supporté au centre des cellules en nid d'abeille. La tension superficielle de la résine provoque alors le retrait de l'adhésif en film, formant un cordon d'adhésif uniquement sur les bords des cellules en nid d'abeille.

Schéma de réticulation adhésive non supportée dans une seule cellule. (a) adhésif chauffé et adhérant aux bords des cellules en nid d'abeilles (b) air chaud sous pression soufflé dans la cellule (c) rupture adhésive due à la pression (d) réticulation adhésive due à la tension superficielle de la résine, formant un cordon uniquement sur les bords des cellules en nid d'abeilles

Parce que l'adhésif du film gélifie généralement avant le matrice Dans le cas d'un préimprégné de feuille de surface, dans un scénario de co-durcissement, l'adhésif de film supporté peut fournir une surface contre laquelle la feuille de surface peut s'appuyer pendant la phase de pré-gélification, permettant le développement d'une certaine pression de résine. D'autre part, les films adhésifs réticulés non supportés déposent efficacement l'adhésif uniquement sur les bords des cellules en nid d'abeille et évitent le poids de l'adhésif en excès des parois cellulaires. Ainsi, le choix d'un adhésif de film supporté ou non supporté peut dépendre de la fonction du produit et du système de matériaux de la feuille de surface.

L'adhésif utilisé pour les panneaux sandwich co-durcis avec des noyaux à cellules ouvertes (comme les nids d'abeilles) nécessite des considérations spéciales. Le comportement de l'adhésif en termes d'écoulement (rhéologie) doit notamment être contrôlé avec précision. L'adhésif doit s'écouler dans les cellules pour former les filets, mais un écoulement trop important laissera peu de résine pour fileter l'interface paroi cellulaire-feuille de parement. L'adhésif qui coule le long des parois cellulaires ne contribuera qu'au poids mais pas à la liaison du noyau et des feuilles de parement. Des propriétés telles que la tension superficielle de l'adhésif et viscosité jouent un rôle important dans la formation des filets.

Les adhésifs peuvent être très sensibles à l'exposition à l'humidité avant le collage. L'humidité absorbée peut s'évaporer pendant le durcissement et affecter la résistance de la liaison entre le noyau et la feuille de surface. Certains adhésifs peuvent également générer des substances volatiles (dégazage) pendant le durcissement. Les gaz emprisonnés peuvent former des cloques entre le noyau et les feuilles de surface ou pressuriser les cellules en nid d'abeilles jusqu'à ce qu'elles se fendent/se rompent dans les cas extrêmes.

Comme pour toute évaluation de matériau, les performances adhésives doivent être évaluées dans toutes les conditions critiques. Pour évaluer la force de liaison adhésive, il est courant d'utiliser des noyaux plus résistants ou une surface de liaison plus petite pour renforcer la liaison. La tension à plat et le pelage par tambour ascendant sont couramment utilisés pour l'évaluation de la force de liaison hors plan et du pelage.

Surfaçage et étanchéité

Pour améliorer la finition de surface du panneau sandwich, des films de surface, un lavage à la résine ou un remplissage et un apprêt conventionnels peuvent être utilisés. Les films de surface (parfois une couche de préimprégné de verre à tissage fin) sont similaires aux films adhésifs en termes de forme et de manipulation, mais avec une densité plus faible. Le film de surface est généralement durci avec les feuilles de surface et poncé ensuite. Un lavage à la résine consiste à lisser et à sceller la surface du panneau sandwich avec une résine à faible viscosité. Le panneau sandwich est parfois chauffé pour faciliter l'introduction de la résine dans les éventuels trous d'épingle/porosités de la surface.

Les films de surface, le lavage à la résine ou le remplissage et l'étanchéité conventionnels peuvent tous nécessiter une quantité importante de travail et entraîner des pénalités de poids pour le produit (en particulier le remplissage et l'étanchéité). Ainsi, les exigences de finition de surface et d'étanchéité des panneaux sandwich doivent être sérieusement examinées lors du développement d'un produit et de son processus de fabrication.

Fabrication de panneaux sandwich

Les étapes de fabrication de base d'un panneau sandwich consistent à déposer les matériaux suivants dans l'ordre (de bas en haut) : feuille de revêtement côté outil, adhésif, noyau, adhésif, feuille de revêtement côté sac, film de protection, reniflard/purge, ensemble d'ensachage. Voir la figure ci-dessous.

Disposition typique d'un panneau sandwich

Pression de traitement des panneaux sandwich

Pour éviter tout mouvement ou déformation du noyau, la pression de traitement des panneaux sandwich est généralement inférieure à celle des stratifiés solides. Par exemple, les panneaux sandwich en nid d'abeille sont généralement durcis dans une plage de 15 à 50 psig. Selon le matériau et la résistance du noyau, même la pression du vide à elle seule peut provoquer un mouvement ou une déformation du noyau. Le concepteur peut limiter la pression du vide (à 8-10 pouces de mercure par exemple) dans ces cas.

Le traitement (en particulier le co-durcissement) des panneaux sandwich en nid d'abeilles dans un autoclave nécessite des précautions particulières. Alors que la pression de l'autoclave peut être d'environ 40 psi, la pression dans la cellule en nid d'abeilles peut n'être que de quelques psi, voire nulle. Lorsque les feuilles de surface s'affaissent dans les cellules en nid d'abeilles, la pression de la résine dans la feuille de surface et l'adhésif est également proche de zéro, ce qui peut provoquer une porosité et de faibles niveaux de consolidation. Pour cette même raison, le traitement des panneaux sandwich en nid d'abeilles dans un autoclave est également plus sensible aux fuites de sacs que le stratifié solide. La pression de l'autoclave qui pénètre dans une cellule en nid d'abeilles peut littéralement faire exploser le noyau.

Panneau sandwich en nid d'abeilles, enrobage et fermetures

Les cellules des panneaux sandwich en nid d'abeille peuvent être remplies de manière sélective et renforcées avec de la mousse ou d'autres matériaux, c'est-à-dire « enrobées », pour les raisons suivantes :

• renforcement local pour l'assemblage du produit avec des fixations
• éviter l'écrasement du noyau pendant le traitement
• augmenter localement la surface de liaison
• stabiliser les parois des cellules en nid d'abeille pour l'usinage
• obtenir des propriétés d'isolation thermique et acoustique

Selon l'application, on peut utiliser de la mousse de différentes densités ou de l'époxy chargé de fibres hachées pour remplir les cellules en nid d'abeille.

Les panneaux sandwich en nid d'abeille nécessitent des fermetures spéciales sur les bords pour éviter toute infiltration d'eau. Différents types de fermetures et leurs compromis ajoutent à la complexité de la conception et de la fabrication des panneaux sandwich en nid d'abeille.

Gestion thermique des panneaux sandwich

La sélection des matériaux et des configurations de base appropriés sera liée aux exigences et aux conditions du processus de fabrication. gestion thermique perspective, les noyaux isolent généralement dans une certaine mesure les feuilles de face côté outil et côté sac en raison de leur faible conductivité thermique. Cela complique donc le problème au niveau du système impliquant le matériau, la forme, l'outillage et l'équipement pendant l'étape de transformation thermique. Par exemple, voir Développement d'un cycle de durcissement pour un panneau de fuselage stratifié sandwich conique.

Gestion du dépôt et de la consolidation des matériaux pour les panneaux sandwich

Les emplacements des noyaux dans un composant doivent être faciles à identifier pour permettre une application rapide et cohérente pendant l'étape de dépôt du matériau. Cela peut être facilité par l'utilisation de systèmes de projection pour montrer les emplacements des noyaux sur la surface de la pièce, des gabarits d'emplacement des noyaux ou indexés à partir de la géométrie dans l'outil. En plus de l'emplacement et du positionnement initiaux, le noyau doit pouvoir rester en place tout au long du processus de fabrication. Avec certains processus de fabrication tels que le traitement des préimprégnés où le matériau composite est quelque peu collant, cela peut être relativement facile à maintenir avec l'application d'un sac de compactage. Dans les processus de fabrication où le matériau du noyau est en contact avec du tissu sec pendant l'étape de stratification, le maintien d'une position correcte du noyau peut être plus difficile. Cela peut s'appliquer à des processus tels que l'infusion de résine ainsi qu'à la fabrication de préimprégnés utilisant un matériau imprégné sur une seule face. Dans certaines situations, il peut être avantageux d'inclure des caractéristiques dans les sections creuses pour aider à maintenir la position pendant la stratification, plutôt qu'à des fins structurelles.

Si le procédé de fabrication utilisé comprend l'application de pression (vide ou pression hydrostatique positive), l'impact de la pression de traitement doit être pris en compte lors de la conception du noyau et des chanfreins du noyau. Sur les chanfreins du noyau, la pression externe appliquera des composantes de force dans les directions verticale et horizontale, avec des composantes horizontales plus importantes agissant sur des angles de chanfrein plus raides. Cela peut entraîner l'écrasement du noyau dans le plan pendant le traitement. Cela peut être atténué en utilisant des chanfreins moins profonds, un noyau de densité plus élevée ou des matériaux stabilisateurs dans la région du chanfrein, ou en utilisant des stratégies d'outillage pour réduire la force dans le plan.

Lors de l'utilisation de matériaux de noyau dans un procédé d'infusion de résine, il convient de veiller à ce que la résine s'écoule suffisamment de chaque côté du matériau de noyau. Dans certains cas, cela peut être accompli en marquant le noyau pour permettre des passages de résine le long de la surface du noyau si l'infusion est effectuée de manière à permettre l'accès aux bords du noyau. Alternativement, des perforations dans le noyau peuvent être nécessaires pour permettre à la résine de traverser l'épaisseur du noyau. Certains matériaux de noyau tels que le nid d'abeille ont des propriétés très différentes dans le sens de l'épaisseur par rapport aux directions dans le plan. La disponibilité de différentes configurations de noyau varie selon le fournisseur, le matériau du noyau et l'épaisseur, ce qui rend important l'évaluation des options et de l'adéquation au processus de fabrication pendant la phase de conception.

Résultats de fabrication et gestion de la qualité des panneaux sandwich

Alvéoles sur la feuille de face

Panneau sandwich à alvéoles

Un problème courant lors du co-durcissement des panneaux sandwich en nid d'abeille (les feuilles de surface sont durcies en même temps que l'adhésif) est la formation de bosses sur les feuilles de surface. Voir la figure de droite. Le motif du noyau en nid d'abeille peut se transmettre à la feuille de surface du côté du sac ou du côté de l'outil du panneau sandwich pour diverses raisons. En général, plus les feuilles de surface sont fines et plus la taille des cellules en nid d'abeille est grande, plus il est facile pour la feuille de surface de s'affaisser dans les zones non soutenues des cellules en nid d'abeille. La feuille de surface alvéolée peut également présenter un manque de résine et une porosité de surface accrue (en particulier du côté de l'outil).

Les creux sur la surface de la feuille de surface côté outil peuvent parfois être causés par des noyaux mal conçus. Ce défaut peut être dû à plusieurs facteurs tels que :

• géométrie de noyau non conforme qui applique une pression accrue le long des bords du noyau sur le stratifié
• bords de noyau rigides et tranchants avec une région de transition insuffisante qui applique une pression le long des bords de noyau sur le stratifié
• régions riches en résine autour des transitions vers les zones creuses qui entraînent des zones locales de retrait élevé pendant le durcissement

Il n'est pas toujours possible d'éliminer l'impression sur un composant, mais un concepteur peut tenter d'atténuer son effet en concevant le noyau de telle sorte que les bords du noyau soient positionnés directement au-dessus d'une caractéristique géométrique, telle qu'un pli, une transition de surface ou un rayon d'angle.

Autres résultats de fabrication

D’autres résultats de fabrication d’un panneau sandwich peuvent inclure :

• Niveau de porosité de la feuille de surface - une porosité élevée de la feuille de surface peut être causée par une faible pression de résine ou d'autres paramètres/configurations de fabrication
• Santé des filets adhésifs - des filets unilatéraux, aucun filet, de petits filets, des filets irréguliers ou de l'adhésif qui coule le long de la paroi cellulaire ne sont pas des résultats de fabrication idéaux pour les filets adhésifs. Parmi les causes potentielles, on peut citer le choix inapproprié du matériau adhésif, le temps d'expiration excessif de l'adhésif, l'absorption d'humidité par l'adhésif ou d'autres paramètres/configurations de fabrication
• Niveau de porosité de l'adhésif - une porosité adhésive élevée peut être causée par une faible pression de résine, un durcissement de l'adhésif avant que les substances volatiles/le dégazage ne puissent s'échapper ou d'autres configurations/paramètres de fabrication
• Mouvement du noyau - la migration, l'écrasement ou la division peuvent être causés par une pression de traitement élevée ou d'autres paramètres/configurations de fabrication

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Références

À propos	Aide

Les matériaux individuels qui se combinent pour former le matériau composite. Les matériaux constitutifs sont séparés et distincts au niveau macroscopique.

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.

Un processus d'assemblage où un matériau polymère (l'adhésif) joint deux pièces structurelles distinctes appelées adhérences. Le collage est utilisé à la place ou en parallèle des moyens mécaniques d'assemblage tels que le rivetage ou le boulonnage.

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.

Les thermodurcissables sont une classe de polymères qui subissent une polymérisation et une réticulation pendant le durcissement à l'aide d'un agent durcissant et d'un chauffage ou d'un promoteur. Au départ, ils se comportent comme un fluide visqueux. Pendant le durcissement, ils passent d'un fluide visqueux à un gel caoutchouteux (matériau viscoélastique) et enfin à un solide vitreux.

S'ils sont chauffés après durcissement, ils deviennent initialement mous et caoutchouteux à des températures élevées. S'ils sont davantage chauffés, ils ne fondent pas mais se décomposent (brûlent)

Livré en deux parties : partie A (résine) et partie B (durcisseur). Lorsqu'il est mélangé, la réaction de durcissement commence et n'est pas réversible.

Les exemples incluent l'époxy ou le polyester.

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.

La phase continue du matériau qui lie le renfort ensemble, maintient sa forme, transfère la charge, protège le renfort de l'environnement et des dommages, et fournit le support composite en compression.

Caractéristiques souhaitables :

• Résistance à l'humidité/aux produits chimiques
• Faible densité
• Processabilité

Dans le traitement des composites, la viscosité est un indicateur de la facilité avec laquelle la matrice de résine se mélangera avec le renfort et de la façon dont elle restera en place pendant le traitement. Plus la viscosité est faible, plus la résine s'écoule facilement. La viscosité de la résine varie considérablement selon les chimies et les formulations.

Par définition scientifique, la viscosité est une mesure de la résistance d'un matériau à la déformation. Pour les liquides, c'est en réponse à des contraintes de cisaillement imposées.

Un thème de traitement central dans le cycle de fabrication. Ce thème concerne la gestion de la réponse thermique des matériaux lors du stockage et de la manutention ou des pièces/outillages lors de leur chauffage ultérieur.

Les résultats représentent la gamme de réponse/sensibilité aux attributs du système d'usine. Ceux qui ne satisfont pas aux exigences de fabrication sont appelés défauts. Des exemples de résultats de fabrication comprennent les résultats de paramètres de processus, les résultats de structure matérielle et les résultats de performance matérielle.