2022/05/30
L’impression 3D au service de la mise en forme de composite à renforts tressés
Laboratoire de Structures de Fibres et Composites Avancés (labSFCA, Polytechnique Montréal), Centre Technologique en Aérospatiale (CTA), Groupe CTT (gCTTg), SphèreCo Technologies Inc. (avril 2018 à octobre 2021)
Objectifs visés
Fabriquer, grâce à l’impression 3D, des outillages prototypes pour l’assistance au tressage robotisé ainsi que pour le moulage par infusion sous vide de résine servant au développement de pièces aéronautiques.
LE CONTEXTE
Aujourd’hui, les avions commerciaux sont fabriqués de nombreuses composantes en matériaux composites. Les pièces composites structurales de ces avions sont fabriquées de fibres de carbone liées par une matrice polymérique. Pour produire ces pièces, les fibres sont premièrement assemblées sous la forme organisée d’un renfort tissé. Ce renfort est ensuite drapé sur un outillage et une résine polymérique liquide y est transférée afin d’imprégner ces fibres de carbone. Finalement, la résine est traitée thermiquement afin de réticuler ou solidifier celle-ci. Chaque étape de ce processus est validée en produisant des pièces afin de maintenir leur qualité, leur répétabilité et leur performance garantissant la sécurité des passagers. Ces validations nécessitent des outillages pouvant faire exploser les coûts de développement. Les 4 partenaires du projet se sont donc alliés pour développer un cadre de fuselage d’avion en composites. L’objectif était de réduire les coûts d’outillage et de prototypage en utilisant l’impression 3D.
LE DÉFI
L’étoffe composite, aussi appelée renfort fibreux, est réalisée à l’aide d’une tresseuse qui entrecroise des fils de carbone pour former une tresse tridimensionnelle. Les fils se déposent sur un mandrin en mouvement, grâce à un robot à 6 axes, au travers du métier à tresser. La conception du mandrin présente des défis quant à sa taille et à sa masse. L’alignement des sections doit être parfait et aucun défaut de surface n’est toléré pour ne pas endommager les fibres de carbone déposées. L’outillage pour la fabrication du composite par infusion sous vide présente aussi des enjeux. La température de ce procédé atteint 180°C. Il faut donc garantir la tenue mécanique de l’outillage dans ces dernières conditions. Un autre défi est le contrôle de l’expansion thermique (αtherm) de l’outillage : ce dernier peut induire des déformations dans la pièce fabriquée car la αtherm des polymères est plus grande que celle des métaux. Une attention est portée sur une possible dépendance entre l’orientation d’impression et la αtherm de l’outillage. De plus, l’interface de l’outillage polymère doit être inerte face aux consommables et matériaux de la pièce, en occurrence la résine d’infusion. Le dernier défi est l’évolution temporelle de l’intégrité géométrique de l’outillage.