Exploiter les composites : la clé de pièces CNC légères et efficaces

L'allègement est le processus de réduction du poids d'une pièce pour des raisons environnementales et/ou économiques. Les ingénieurs obtiennent des pièces légères au niveau de la conception en supprimant le matériau inutile, soit en évidant les pièces, en employant des treillis dans leurs conceptions, ou en tirant parti de l'optimisation topologique. Une autre méthode efficace d'allègement consiste à remplacer un matériau lourd par un plus léger qui répond aux exigences mécaniques critiques. Les pièces plus légères sont plus faciles pour l'environnement, plus rentables et plus économes en carburant, et offrent souvent aux équipes produit plus d'options de matériaux.

L'allègement est une technique très populaire dans les industries automobile, aérospatiale et de la construction. Les applications courantes de l'allègement dans l'industrie automobile — l'un de ses cas d'usage les plus importants — incluent les blocs moteurs, châssis et une grande variété d'autres pièces. Si une équipe produit ne poursuit pas l'allègement par des éléments de conception tels que des treillis, mais par l'incorporation de matériaux plus légers, il est important qu'elle utilise un matériau qui ne sacrifie ni la résistance ni la durabilité — les composites font souvent l'affaire.

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Les matériaux composites sont des mélanges hétérogènes de deux ou plusieurs matériaux conçus pour atteindre des propriétés spécifiques. Les propriétés finales du matériau composite dépendront finalement de sa composition, mais en général, les composites sont plus résistants que chacun des matériaux de base pris séparément.

Les matériaux composites sont idéaux pour l'allègement car, en poids, ils sont plus résistants que la plupart des matériaux homogènes haute performance du marché. La structure la plus courante pour les composites consiste en des fibres maintenues ensemble par une matrice de liaison. Ces composants travaillent ensemble pour combiner les aspects les plus résistants de chacun. Les fibres de renforcement dans le composite supportent la charge tandis que la matrice environnante, souvent constituée de polymères, assure le maintien des positions relatives des fibres. Par conséquent, dans certains cas, les composites peuvent être jusqu'à 10 fois plus résistants que l'acier et 8 fois plus résistants que l'aluminium, tout en restant remarquablement légers. Les pièces usinées CNC construites avec des matériaux composites légers sont plus économes en carburant et plus faciles à transporter ou installer.

En plus de la haute résistance, de la durabilité et du faible poids, les matériaux composites tendent à offrir une flexibilité de conception accrue. Ils peuvent être facilement moulés pour s'adapter à des géométries complexes, les rendant idéaux pour une utilisation avec l'usinage CNC. Et comme il existe tant de combinaisons de matériaux disponibles pour les composites, les concepteurs peuvent trouver des composites CNC sur mesure qui répondront à leurs exigences uniques.

Matériaux de construction composites courants

Les deux classifications de matériaux composites les plus applicables à l'allègement sont les composites à matrice polymère (CMP) et les composites à matrice métallique (CMM). Les CMP, également connus sous le nom de polymères renforcés de fibres, sont les plus courants et utilisent une résine à base de polymère pour la matrice et une fibre de carbone ou de verre pour le renforcement. Les CMM sont populaires pour l'allègement dans l'industrie automobile et utilisent un métal comme l'aluminium pour la matrice et le carbure de silicium pour le renforcement par fibres.

Les composites d'allègement peuvent être fabriqués à partir de nombreuses combinaisons différentes de matériaux, donc les ingénieurs ont beaucoup de terrain à couvrir en matière de sélection de matériaux. Voici trois matériaux de construction composites courants utilisés pour l'allègement de pièces usinées CNC.

1. Carbone

Les fibres de carbone se présentent en deux variétés principales — le carbone à base de polyacrylonitrile (PAN) et le carbone dérivé du goudron. 90 % des fibres de carbone sur le marché aujourd'hui sont à base de polyacrylonitrile, et ces fibres offrent une haute rigidité et des valeurs de module, ainsi qu'un rapport résistance/poids impressionnant. Le carbone est bien adapté à l'allègement car c'est un matériau composite à faible densité avec un fort potentiel de réduction de poids — en fait, il est 50 % plus léger que l'acier.

Les applications courantes pour les composites de fibre de carbone usinés CNC incluent les cadres, châssis et autres composants dans les industries aérospatiale et automobile. Malheureusement, le coût est la limitation la plus significative du carbone. Il est 570 % plus cher que l'acier, selon le Journal International de Recherche en Ingénierie et Technologie, ce qui est prohibitif pour de nombreuses équipes produit. De plus, les fibres de carbone ont une faible résistance aux chocs, ce que les ingénieurs devraient garder à l'esprit pour l'allègement dans l'industrie automobile.

2. Verre

Les matériaux de remplissage en verre composite se déclinent en cinq compositions commerciales différentes — verre E, verre C, verre S, verre R et verre T. Le verre E est la fibre de verre la plus courante utilisée dans les matrices polymères pour l'allègement et offre d'excellentes propriétés mécaniques, une haute isolation électrique et une faible sensibilité à l'humidité. Les fibres de verre C sont les meilleures pour les applications où la pièce nécessite une résistance chimique, mais le verre S a une résistance, une résistance à la chaleur et un module plus élevés.

Les charges de verre peuvent encore être utilisées comme matériau composite pour l'allègement, mais les ingénieurs devraient savoir que les pièces renforcées de fibres de verre seront plus lourdes que les pièces renforcées de fibres de carbone et nécessiteront des accommodations de conception spéciales dans les applications où une haute rigidité est requise. Les équipes produit et concepteurs devraient garder ces facteurs à l'esprit pendant la phase de conception. Malgré ces limitations, de nombreux produits utilisent des fibres de verre car elles sont considérablement plus rentables que les fibres de carbone.

3. Aluminium

Les composites à matrice métallique à base d'aluminium sont très populaires pour l'allègement dans l'industrie automobile. En général, les alliages d'aluminium ont certains des rapports résistance/poids les plus élevés des métaux couramment disponibles, offrent une excellente conductivité électrique et sont hautement résistants à la corrosion. De plus, les composites d'aluminium pèsent environ un tiers de ce que pèse l'acier.

Lorsque l'aluminium est inclus dans un CMM, le matériau composite peut avoir un module plus élevé, un coefficient de dilatation thermique plus faible et une dureté plus élevée que l'aluminium non renforcé. Les applications courantes dans l'industrie automobile incluent les cadres de véhicules, le câblage électrique, les roues, les pièces de moteur, et plus encore. Malheureusement, travailler avec l'aluminium peut augmenter les coûts de fabrication.

Commencer avec les composites CNC

Pour les ingénieurs cherchant à usiner des pièces solides, flexibles et résistantes aux dommages sans ajouter de volume supplémentaire, les matériaux composites sont le choix parfait pour l'allègement. Les composites à matrice polymère et à matrice métallique représentent deux grandes catégories de matériaux composites, et tout composite tombant dans l'une de ces catégories peut être composé de nombreuses combinaisons différentes de matériaux. En tant que tel, il peut être difficile pour les équipes produit de s'assurer qu'elles choisissent le bon matériau composite pour leur projet.

Un partenaire de fabrication expérimenté comme Fast Radius peut aider les équipes produit à maîtriser le processus de sélection des matériaux. Notre équipe de concepteurs, ingénieurs, mécaniciens et technologues experts a des décennies d'expérience dans l'accompagnement des équipes à travers l'ensemble du processus de développement produit, donc nous savons qu'une pièce exceptionnelle commence par les bons matériaux. Contactez-nous aujourd'hui — nous sommes là pour aider.

Pour plus de conseils sur la façon de tirer le meilleur parti de l'usinage CNC, consultez les articles de blog connexes dans le centre de ressources Fast Radius.

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