Méthode conventionnelle de moulage de préimprégnés en fibre de carbone

Dans le monde sophistiqué de l'aérospatiale et de la fabrication de haute technologie, pré-épuisement de fibres de carbone la technologie de moulage est comme un «artisan invisible», façonnant des matériaux haut de gamme avec un savoir-faire extrême qui allie résistance et légèreté. En tant que procédé classique dans le domaine des composites, la méthode traditionnelle de moulage du préimprégné en fibre de carbone a connu des décennies d'évolutions et reste la colonne vertébrale de la fabrication haut de gamme. Aujourd'hui, plongeons-nous profondément dans la logique fondamentale de cette technologie pour comprendre comment elle se transforme, passant d'une simple feuille de tissu en fibre de carbone imprégnée de résine à un composant clé d'un vaisseau spatial ou à l'ossature de la carrosserie d'une voiture de course.

Qu'est-ce que le pré-égout en fibre de carbone?

Pour comprendre la méthode de moulage, nous devons d'abord comprendre le concept de base du « préimprégné ». En termes simples, le préimprégné en fibre de carbone est la « combinaison parfaite » entre un fil de fibre de carbone et une résine : dans un environnement strictement contrôlé en température et en pression, des matériaux matriciels tels que la résine époxy ou phénolique sont uniformément imprégnés dans le tissu de fibre de carbone, formant ainsi un rouleau ou une feuille de matériau composite visqueux possédant une certaine viscosité.
Cette caractéristique d’« imprégnation préalable » le distingue du procédé de moulage en fibre sèche : la teneur et la répartition de la résine sont définies à l’avance, et le moulage ultérieur doit simplement se concentrer sur la manière d’ajuster précisément le matériau dans le moule et de l’y durcir complètement, réduisant ainsi considérablement la complexité de l’opération sur site. C’est comme une pâte préparée avant la cuisson : la recette est déjà ajustée, il ne reste plus qu’à maîtriser la chaleur et le temps de cuisson.

Méthode de moulage conventionnelle

（1）Moulage en autoclave
Le procédé de référence pour la fabrication de composites haute performance de qualité aérospatiale. Il consiste à sceller l'empilement de préimprégné en fibre de carbone et le moule dans un sac sous vide, puis à les placer dans un récipient de grande taille capable de résister à haute température et haute pression, appelé autoclave. Pendant le processus de polymérisation, une pression élevée uniforme (plusieurs atmosphères) et une température élevée sont appliquées simultanément sur l'autoclave, permettant à la résine de s'écouler complètement et de comprimer les fibres, ce qui donne des pièces présentant une teneur en fibre extrêmement élevée et une porosité faible.
L'avantage de ce procédé est qu'il permet de produire des pièces structurelles complexes d'une qualité inégalée, avec d'excellentes propriétés mécaniques et une grande régularité. Toutefois, les inconvénients sont très évidents : l'équipement d'autoclave est extrêmement coûteux, consomme beaucoup d'énergie et implique des cycles de production longs et onéreux. Il est donc généralement limité aux secteurs aérospatial et aux voitures de Formule 1, où des performances extrêmes sont requises.
（2）Moulage par compression
Un procédé très efficace pour la production de volumes moyens à élevés. Il consiste à introduire une quantité fixe de préimprégné ou de composé de moulage (comme le SMC) dans un moule métallique préchauffé, puis à fermer le moule et à appliquer une haute pression et une température élevée, ce qui permet au matériau de s'écouler à l'intérieur de la cavité du moule, de la remplir, puis de durcir et de se former après isolation thermique et maintien sous pression.
Les avantages de ce procédé sont un haut degré d'automatisation, une production rapide, une grande précision dimensionnelle des produits et des surfaces lisses des deux côtés. Toutefois, en raison de la nécessité d'utiliser un moule rigide résistant à la haute pression, le coût initial d'investissement est plus élevé. Ce procédé est particulièrement adapté à la fabrication de pièces structurelles en grande série nécessitant une bonne qualité de surface, comme les panneaux de carrosserie automobile, les boîtiers de batteries ou encore les équipements sportifs hautes performances.
（3）Moulage sous sac vide
Un procédé de base et couramment utilisé qui utilise la pression atmosphérique pour compacter les matériaux composites. Une série de matériaux auxiliaires est recouverte d'une couche collée à la main ou préimprégnée, et l'ensemble du système est scellé dans un sac sous vide, continuellement aspiré par une pompe à vide afin de créer une dépression, ce qui fait appliquer uniformément la pression atmosphérique sur la surface du produit, éliminant ainsi l'air et compactant la structure.
Cette méthode permet d'augmenter significativement la teneur en fibres, de réduire la porosité et d'améliorer l'uniformité de la distribution de la résine, et son coût est bien inférieur à celui du four à pression. Toutefois, elle ne peut fournir qu'une pression maximale d'environ 0,1 MPa, et la limite supérieure des performances n'est pas aussi élevée que celle obtenue avec un procédé haute pression. Elle est largement utilisée dans la construction navale, la réalisation de prototypes et les pièces composites nécessitant des performances moyennes.
（4）Enroulement
Un procédé directionnel spécialisé dans la production de tubes minces à haute performance. Le tissu préimprégné de fibres de carbone est découpé à un angle spécifique, puis enroulé avec précision sous tension sur un mandrin, généralement suivi d'un serrage par bande de compression afin d'appliquer une pression de compactage, puis chauffé et durci dans un four avant d'être démoulé pour obtenir le tube.
Ce procédé permet un contrôle précis de l'orientation des fibres (par exemple, combinaisons à 0°, ±45°), offrant d'excellentes propriétés mécaniques axiales alternées, ainsi qu'une bonne précision dimensionnelle et une qualité de surface élevée. Toutefois, il dépend de l'utilisation de préimprégnés et de mandrins, présente une efficacité de production limitée, et est principalement utilisé dans les articles de sport haut de gamme tels que les shafts de clubs de golf, les cannes à pêche et les fourches de vélo.
（5）Enroulement filamentaire
Un procédé automatisé de fabrication de pièces rotatives à haute résistance. La fibre de carbone continue est imprégnée dans un bain de résine, puis déposée avec précision par une tête d'enroulement commandée par ordinateur sur un mandrin tournant selon des profils et angles prédéfinis jusqu'à atteindre l'épaisseur souhaitée, puis durcie pour conserver sa forme.
Le principal avantage de ce procédé réside dans le fait que les fibres sont continues et uniformément tendues, permettant une teneur en fibre extrêmement élevée ainsi qu'une excellente utilisation de la résistance, particulièrement pour les récipients soumis à une pression interne. Toutefois, il est limité aux formes rotomoulées convexes et nécessite un équipement coûteux. Typique produits comprennent les bouteilles de gaz haute pression (GNC/hydrogène), les conduites et les carcasses de moteurs-fusées.
（6）Pultrusion
Un procédé hautement efficace de production continue de profilés composites à section constante. À l'instar des « spaghettis », il tire des fils ou tissus continus en fibre de carbone à travers un bain de résine pour imprégnation, puis les fait passer à travers un moule en acier de précision chauffé où ils sont préformés, compactés et durcis en continu, avant d'être finalement extraits par un tracteur et coupés à une longueur constante.
Ce procédé est extrêmement productif, permettant une production continue automatisée, une forte utilisation des matières premières et une efficacité coûts très avantageuse. Toutefois, ses produits sont limités aux profilés linéaires à section constante, et la résistance longitudinale est nettement supérieure à la résistance transversale. Les produits courants incluent des éléments de ponts en treillis, des câbles de pont, des montants d'échelle, ainsi que diverses tiges et profilés.
（7）Moulage par poche sous pression
Il peut être considéré comme une version améliorée du moulage par sac sous vide. Sur la base du système de sac sous vide, tout le moule encapsulé est placé dans une cuve pressurisée hermétique, qui non seulement évacue l'intérieur, mais introduit également de l'air comprimé dans la cuve, appliquant ainsi une pression positive plus élevée (généralement 0,4-0,6 MPa) à l'extérieur du sac sous vide, permettant des pressions de moulage supérieures à celles obtenues avec le vide seul.
Cette méthode améliore significativement la teneur en fibres et la densification de la pièce sans nécessiter un investissement important dans une cuve autoclave, et surpasse le procédé utilisant uniquement le sac sous vide. Elle convient idéalement à la fabrication de pièces de grande taille ne pouvant pas entrer dans une cuve autoclave, comme les coques de petits ou moyens bateaux, les composants de wagons ferroviaires ou de grands radômes.

Comparaison des méthodes de formage des préimprégnés en fibre de carbone

Avenir : Innovation dans le patrimoine

La tradition ne signifie pas stagnation. Aujourd'hui, l'industrie franchit des obstacles grâce à des « micro-innovations » : par exemple, le développement de résines à basse température et à durcissement rapide qui réduisent le temps de cure de 2 heures à 30 minutes ; l'adoption d'équipements automatisés de stratification remplaçant l'empilement manuel pour améliorer l'efficacité ; ou encore l'intégration d'algorithmes d'intelligence artificielle dans la conception des moules afin d'optimiser la répartition des pressions et de réduire les défauts.
Ces améliorations ont permis aux procédés traditionnels de conserver leurs avantages en termes de performance tout en opérant une transition progressive vers une « haute efficacité et faible coût », et continuent de jouer un rôle important dans le domaine des composites.
Du domaine spatial aux équipements sportifs, la méthode traditionnelle de moulage du préimprégné en fibre de carbone illustre la philosophie manufacturière du « travail lent et régulier » par un savoir-faire solide. Elle n'est peut-être pas la plus avancée, mais dans les situations exigeant une fiabilité extrême, cette « tradition » constitue précisément la garantie de qualité la plus précieuse.