Développement et optimisation d'un procédé de mise en forme par injection d'une pièce complexe à épaisseur variable en matériaux composites

Résumée Dans le cadre des travaux de recherche de la Chaire sur les composites à haute performance (CCHP) et dans une optique de réduction des coûts de fabrication, une évolution du procédée d'infusion a été développée ainsi qu'un nouveau type de moule d'injection. Ceux-ci ont été développés dans l'optique de fabrication de pièces de petites et moyennes dimensions applicables à l'industrie des sports et de l'automobile. Ces nouvelles avancées technologiques ont pour objectif principal de diminuer les coûts de fabrication de pièces complexes en matériaux composites. Un procédé permettant une réduction des étapes d'assemblage est d'abord proposée, permettant une réduction du coût de la main d'oeuvre. En utilisant une vessie sacrificielle fermée, cette nouvelle technique permet de fabriquer en une seule infusion une pièce qui autrement devrait être infusée en deux parties, nécessitant du même coup une étape d'assemblage. Le développement d'un nouveau type de moule permet de réduire le coût de fabrication des moules RTM. Ce moule est composé d'une paroi semi-rigide soutenue par une masse de poudre céramique de Silicate d'Aluminium et dont la forme, qui est modifiable, est maintenue par l'application d'une pression de vide. Une série d'essais préliminaires ont permis de démontrer la faisabilité du procédé d'infusion sur vessie sacrificielle fermée. Plusieurs pièces ont été fabriquées, permettant une sélection adéquate du matériel composant la vessie. Cette nouvelle approche sera ensuite utilisée pour fabriquer des pièces adaptées aux besoins de la recherche industrielle, soit des pales d'éolienne d'une longueur de 1,5 m. Le moule permettant de fabriquer ces pièces est fondé sur un nouveau concept à base de poudres sous vide. Une sélection des grains et une série d'essais mécaniques ont permis de déterminer qu'une poudre céramique constituée de silicate d'aluminium, un matériau abrasif couramment utilisé en fonderie, possède des propriétés propices pour la fabrication d'un moule renforcé par cette nouvelle approche. Le procédé d'infusion sur vessie sacrificielle fermée permet de fabriquer des pièces nécessitant normalement une étape supplémentaire d'assemblage. Ce procédé s'est révélé consistant et capable de faciliter la fabrication de pièces complexes à coeur creux. De plus, il a produit des pièces d'une qualité au moins équivalente à celles fabriquées par les méthodes traditionnelles. La structure composée de poudre céramique contrainte à montré que la friction intergranulaire d'une poudre permet de résister à la pression du moule.

Abstract

As part of the research program driven by the High Performance Composite Design and Manufacturing Canada Research Chair (CCHP) and within the scope of reducing manufacturing costs, a new variant of the infusion process was developed, as well as a new type of mold for Liquid Composite Molding (LCM). These technological advances aim to reduce manufacturing costs of composite materials. A method for reducing assembly steps is first proposed, leading to a reduction of labor costs. Using a closed sacrificial bladder, this new process allows to infuse a composite part in a single step. Previous processes have required two separate parts and an assembly stage. The development of a new type of mold structure can in turn reduce the cost of building RTM molds. This new mold is made of a semi-rigid skin, supported by aluminosilicate ceramic powder on which a vacuum pressure is applied, leading to a solid mass capable of fitting complex shapes. A bench test is first developed in order to provide proof of feasibility of the closed sacrificial bladder infusion option. To facilitate the selection of the bladder material and get used to the new process, several parts were produced. Composite windblades of 1,5 m length were manufactured by the same process. The mold is based on a new concept with powders under stress. A selection based on grains morphology and series of mechanical tests concluded that aluminosilicate ceramic powder, an abrasive commonly used in foundry, is suitable for the new mold. The closed sacrificial bladder infusion process has been proven to consistently produce, with a lower cycle time, parts of quality at least equivalent to those fabricated by traditional methods. A mold made of ceramic powder under vacuum has also successfully demonstrated that the intergranular friction of a powder could be used to withstand the internal pressure of an injection mold. Finally, the results of this study showed that the new approach developed in this project could be considered for industrial applications. The closed sacrificial bladder infusion process aims at simplifying the manufacturing of complex parts while the stressed aluminosilicate powder allows fabricating economical and stiffmolds. Together, these advances contribute to reduce the costs of composite manufacturing and bring new tools to the industry, thus minimizing initial investment and adding flexibility to the product development stage.