Maîtriser le thermoformage : dépannage expert pour composites thermoplastiques

Note : Les informations et images pour cet article ont été obtenues du cours « Advanced Forming of Thermoplastic Composites » enseigné par le ThermoPlastic composite Research Center (TPRC).

Les composites thermoplastiques (TPC) ont d'abord gagné en avantage avec la demande de cadences de production plus rapides dans l'aérospatial et autres applications légères. La production de pièces en quelques minutes a fait du thermoformage (aussi appelé estampage) le procédé composites thermoplastiques le plus commun et le premier à produire en masse des pièces volantes (voir « Inside a thermoplastic composites hotbed » et « Thermoplastic composites clip time... »).

Le procédé commence avec un préformé – un stratifié composite thermoplastique préconsolidé avec l'orientation de plis requise – et comprend les étapes suivantes (Fig. 1) : Préparation du préformé (découpe et fixation), chauffage du préformé, transfert au moule, positionnement du préformé, formage, refroidissement, démoulage de la pièce et découpe/finition. Le procédé de thermoformage est un concept simple mais implique des complexités et défis qui doivent être adressés pour atteindre des pièces composites répétables, haute qualité.

Éviter les plis

Un pli est un défaut visuel et fonctionnel. Il peut être décrit comme une courbure hors plan du matériau. La cause principale est des déformations de cisaillement insuffisantes, telles que glissement inter-plis et cisaillement intra-pli, pendant le traitement. Le plissage se produit predominantly sur surfaces doublement courbes. Considérez les actions suivantes pour minimiser les plis.

Préchauffage suffisant et transfert rapide

Pendant le formage du préformé, la température doit rester au-dessus de la température de fusion (Tm) de la matrice TPC pour permettre la déformation de cisaillement. Prenez en compte que pendant le transfert de l'étape de préchauffage au moule, la température peut chuter significativement – potentiellement 40-50°C en trois secondes. Ainsi, le préchauffage doit être assez haut pour que le polymère reste au-dessus de Tm – ou température de transition vitreuse (Tg) pour polymères amorphes – après transfert et pendant le formage. Un préformé froid ne se déformera pas correctement et développera des plis. Cependant, attention à ne pas surchauffer le préformé pour éviter la dégradation du polymère.

Style de tissage et stratification

Les tissus satin à armure (HS) ont une meilleure drapabilité due à une déformation de cisaillement dans le plan plus facile, ce qui aide à prévenir les plis. La drapabilité des tissus tissés, de la plus haute à la plus basse, est : 8HS > 5HS > 2x2 twill > toile. Le tissu 5HS est souvent un bon point de départ car il équilibre drapabilité et performance mécanique. Les préformés faits avec renforcements unidirectionnels (UD) ont tendance à plisser plus que les tissus HS en raison de la friction élevée entre fibres qui résiste au cisaillement dans le plan. Permettre le cisaillement dans le plan est la clé du succès avec le formage de préformés UD, surtout avec surfaces doublement courbes.

Les orientations de plis telles que [0, 90, ±45]s trouvées dans une stratification quasi-isotrope peuvent inhiber la déformation de cisaillement, ce qui augmente les plis. Alternativement, les stratifications croisées (ex: [0, 90]) aideront à prévenir le plissage car le cisaillement n'est pas restreint par d'autres plis.

Préparation et fixation du préformé

Pinces et tendeurs peuvent être utilisés pour maintenir le préformé en tension dans les zones sujettes à la courbure hors plan. Trouver la configuration optimisée peut être chronophage, avec multiples itérations requises, mais l'utilisation de logiciels de simulation de procédé aide. Une tension de préformé appropriée empêche aussi le préformé de s'affaisser, ce qui peut causer des problèmes pendant le transfert et le formage. De tels problèmes incluent le préformé touchant le moule trop tôt, ce qui pourrait placer trop de matériau sur le moule avant que le drapage ne puisse se produire, résultant en flambage et plissage. Le préformé peut aussi s'affaisser et toucher le chauffage, ce qui peut endommager le préformé ou arrêter le procédé.

Optimiser la géométrie finale du préformé et le découper à une forme proche du net peut prévenir les plis et réduire les rebuts. Coupes et dards peuvent aussi aider à prévenir la courbure hors plan en réduisant les contraintes fibres pour permettre un meilleur formage.

Surmonter les défis de conception de moule

Pendant le thermoformage et procédés de moulage similaires, le moule lui-même peut présenter des défis. Une bonne conception de moule peut aider à prévenir les problèmes de coûts moule, chauffage, défauts pièces et démoulage.

Matériaux d'outillage moule

Pour choisir le bon matériau pour un outil de thermoformage, considérez les matériaux utilisés pour la pièce finale, car ceux-ci affecteront la température de moule requise (Tmold). Par exemple, suivant la règle empirique Tmold = (Tm + Tg)/2, une pièce en PPS renforcé (polysulfure de phénylène Tm = 280°C) nécessitera un Tmold d'environ 180°C. (Les polymères thermoplastiques amorphes et semi-cristallins ont une Tg, mais les polymères semi-cristallins ont aussi un Tm.) Un moule métallique est ainsi requis pour conduire suffisamment de chaleur depuis le plateau de la presse chauffée ou un outil chauffé pour le moulage de la pièce. La conduction est aussi nécessaire pour un refroidissement efficace de la pièce. Cependant, pour une pièce utilisant un PMMA renforcé (polyméthacrylate de méthyle), qui a une Tg bien plus basse (~100°C), un outil en bois ou époxy à température ambiante pourrait suffire.

Autres considérations incluent la phase de développement actuelle et budget disponible, mais aussi le nombre de pièces à fabriquer à partir de l'outil. Pendant le traitement, les outils moule sont exposés à friction, haute température et pression. Comme le bois et l'époxy ont une résistance thermique et capacité de charge inférieures comparées aux métaux, les moules faits de ces matériaux auront une durée de vie plus courte et sont plus adaptés pour production petit volume, tandis que les outils métalliques seront préférés pour production haut volume.

Un autre système matériaux à considérer pour l'outillage est métal-caoutchouc, où une moitié d'un jeu accordé est métal et l'autre caoutchouc. Cela permet une flexibilité de production et peut être utilisé pour pièces avec tolérances plus larges. Un outil métal-caoutchouc fournit aussi une pression hydrostatique uniforme, ce qui est bénéfique dans zones de pattes et en préformés avec variations d'épaisseur, typiques des préformés sur mesure faits avec multiples plis UD.

Cette application inhérente de pression hydrostatique est aussi un avantage quand la même pièce est produite à plusieurs épaisseurs différentes, éliminant le coût de moules séparés pour chaque épaisseur. En concevant un outil métal-caoutchouc, il est important de aussi considérer les désavantages et défis suivants :

• Le côté métal de l'outil produira une finition plus lisse vs le caoutchouc.
• Les outils métal-caoutchouc auront un coefficient de dilatation thermique (CTE) d'un ordre de grandeur supérieur vs outils tout-métal.
• Du fait de conductivité thermique plus faible vs métal, le refroidissement prendra un peu plus de temps et créera plus de décalage dans la réponse de contrôle température.
• Usure et vieillissement accrus résulteront en durée de vie plus courte vs outils tout-métal.

Formage et démoulage

Une bonne conception de moule assure pression suffisante, drapage optimal, aide à prévenir défauts et favorise retrait sûr de la pièce. Bien qu'il y ait beaucoup de problèmes concernant formage et démoulage, plusieurs des plus importants incluent :

• Pression. Pendant le thermoformage, basse pression peut mener à mauvaise consolidation, propriétés mécaniques réduites et dimensions hors tolérance. Pour un outil métal-métal accordé, éliminer les butées de fin pour que la pression continue sur le stratifié ne soit pas empêchée par l'espace que les butées créent.
• Permettre l'entrée de matériau (draw-in). Pour éviter l'expansion du côté caoutchouc du moule pendant le pressage (connu sous le nom de barreling), qui peut bloquer le mouvement du matériau pendant le pressage (draw-in), placer le caoutchouc du côté femelle de l'outil de moulage (voir Fig. 3).
• Retrait de pièce. Pour pièces en L, concevoir le moule avec l'angle L désiré incliné vers un V, ce qui réduira la friction avec l'outil et permettra un retrait facile. Pour pièces en boîte, utiliser un angle de dépouille de 1-2 degrés par côté ; angles plus hauts peuvent être nécessaires pour pièces plus profondes.

Gauchissement et rentrage (spring-in)

Le gauchissement et le rentrage sont des distorsions de forme causées par propriétés matériaux anisotropes et refroidissement inégal de la résine qui se produisent après que la pièce est moulée et peuvent mener à des dimensions hors tolérance, ce qui pourrait mener à des problèmes d'assemblage et causer la mise au rebut de pièces. Le gauchissement se produit quand une région de contrainte moulée élevée dans une pièce intersecte une région de contrainte moulée basse. Cet déséquilibre de contrainte est soulagé par la région à haute contrainte déformant la région à basse contrainte, résultant en courbure ou torsion du stratifié.

Le rentrage (spring-in) se produit dans panneaux courbes ou pièces avec sections d'angle quand la contrainte moulée cause les parois à se déformer vers l'intérieur à un angle inférieur à l'angle conçu. Cela arrive souvent dans composites renforcés fibres à cause de leurs propriétés anisotropes. La géométrie de la pièce est aussi un facteur. Le retrait différentiel entre dans le plan (CTE bas dans direction fibres) et à travers l'épaisseur (CTE haut de la matrice), peut causer une diminution d'angle de 1-3 degrés.

Adresser les distorsions de forme peut être coûteux et chronophage. L'utilisation d'outils de simulation et conception est hautement recommandée pour développement de pièce plus rapide. Cherchez les causes et corrections possibles suivantes face au gauchissement :

• Paramètres de procédé. La température de moule affecte les propriétés à travers l'épaisseur associées à la cristallisation et effets viscoélastiques, qui peuvent affecter le gauchissement. Réduire la température de moule peut réduire le rentrage mais augmenter les contraintes internes, qui peuvent mener au rentrage une fois libérées. Cette incertitude doit être examinée soigneusement. Haute pression et vitesse de formage peuvent aussi réduire le rentrage et possiblement promouvoir le problème inverse – le retour élastique (spring-back) – en limitant le glissement inter-plis. Augmenter le temps de maintien peut assurer que la matrice est pleinement solidifiée et éliminer la chaleur résiduelle, ce qui réduit le retrait après retrait de pièce, et donc, le rentrage.
• Conception de moule. Compenser le rentrage peut être fait en changeant les angles de paroi dans le moule. Aussi, comme mentionné, les moules métalliques favorisent un refroidissement plus uniforme et peuvent aider à réduire le risque de gauchissement, surtout dans pièces épaisses.
• Stratification. Les stratifications symétriques sont communément utilisées pour atténuer le gauchissement, mais pendant le thermoformage, la réorientation des fibres peut se produire, menant à asymétrie et gauchissement. Une autre manifestation d'asymétrie est la migration de résine pendant le formage de rayons (incluant coins). Cela cause redistribution des fibres et changements locaux en fraction volumique fibres ce qui favorise l'anisotropie et le gauchissement. Différentes stratifications et séquences se comportent différemment car les fibres répondent aux contraintes qui, à leur tour, affectent le gauchissement. Les outils de simulation et prédiction peuvent aider à adresser ce comportement matériel complexe.

Bien que le procédé de thermoformage/estampage implique multiples paramètres et comportements matériaux complexes, il y a des principes de base et actions qui peuvent guider un développement réussi. Avec l'implémentation croissante de pièces TPC thermoformées, et particulièrement préformés UD sur mesure, de nouveaux défis sont adressés avec des solutions innovantes et outils de conception/simulation améliorés.