Les composites et le secret de l'allègement des pièces usinées CNC

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

L'allègement est une technique très populaire dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de la construction. Les applications courantes d'allègement dans l'industrie automobile - l'un de ses cas d'utilisation les plus importants - incluent les blocs moteurs, les châssis et une grande variété d'autres pièces. Si une équipe produit ne recherche pas l'allégement par le biais d'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 obtenir des propriétés spécifiques. Les propriétés finales du matériau composite dépendront en fin de compte de sa composition, mais d'une manière générale, les composites sont plus résistants que l'un ou l'autre des matériaux de base.

Les matériaux composites sont idéaux pour l'allègement car, en poids, ils sont plus résistants que la plupart des matériaux homogènes hautes performances du marché. La structure la plus courante des composites est constituée de fibres maintenues ensemble par une matrice de liaison. Ces composants fonctionnent ensemble pour combiner les aspects les plus forts de chacun. Les fibres de renforcement du composite supportent la charge tandis que la matrice environnante, souvent constituée de polymères, assure que les fibres maintiennent leurs positions relatives. En conséquence, dans certains cas, les composites peuvent être jusqu'à 10 fois plus résistants que l'acier et 8 fois plus résistants que l'aluminium, mais toujours remarquablement légers. Les pièces usinées CNC construites avec des matériaux composites légers sont plus économes en carburant et plus faciles à transporter ou à installer.

En plus d'une résistance élevée, d'une durabilité et d'un faible poids, les matériaux composites ont tendance à offrir une flexibilité de conception accrue. Ils peuvent être facilement moulés pour s'adapter à des géométries complexes, ce qui les rend idéaux pour une utilisation avec l'usinage CNC. Et comme il existe de nombreuses combinaisons de matériaux disponibles pour les composites, les concepteurs peuvent trouver des composites CNC sur mesure qui répondront à leurs besoins uniques.

Matériaux de construction composites courants

Les deux classifications de matériaux composites les plus applicables à l'allègement sont les composites à matrice polymère (PMC) et les composites à matrice métallique (MMC). Les PMC, également appelés 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 renfort. Les MMC sont populaires pour l'allégement dans l'industrie automobile et utilisent un métal comme l'aluminium pour la matrice et le carbure de silicium pour le renforcement des fibres.

Les composites d'allégement peuvent être fabriqués à partir de nombreuses combinaisons de matériaux différentes, de sorte que les ingénieurs ont beaucoup de chemin à parcourir en matière de sélection des matériaux. Voici trois matériaux de construction composites couramment utilisés pour alléger les pièces usinées CNC.

1. Carbone

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

Les applications courantes des composites en fibre de carbone usinés CNC comprennent les cadres, les châssis et d'autres composants dans les industries aérospatiale et automobile. Malheureusement, le coût est la limitation la plus importante du carbone. C'est 570% plus cher que l'acier, selon l'International Research Journal of Engineering and Technology, ce qui est prohibitif pour de nombreuses équipes de produits. De plus, les fibres de carbone ont une faible résistance aux chocs, ce que les ingénieurs doivent garder à l'esprit pour l'allègement dans l'industrie automobile.

2. Verre

Les matériaux de remplissage en composite de verre 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 couramment utilisée dans les matrices polymères pour l'allègement et offre d'excellentes propriétés mécaniques, une isolation électrique élevée 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 toujours être utilisées comme matériau composite pour l'allègement, mais les ingénieurs doivent savoir que les pièces renforcées en fibre de verre seront plus lourdes que les pièces renforcées en fibre de carbone et nécessiteront des adaptations de conception spéciales dans les applications où une rigidité élevée est requise. Les équipes de produits et les concepteurs doivent garder ces facteurs à l'esprit lors de la phase de conception. Malgré ces limitations, de nombreux produits utilisent des fibres de verre car elles sont considérablement plus économiques 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 très 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 MMC, 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 comprennent les châssis de véhicules, le câblage électrique, les roues, les pièces de moteur, etc. Malheureusement, travailler avec de l'aluminium peut augmenter les coûts de fabrication.

Démarrer avec les composites CNC

Pour les ingénieurs qui cherchent à usiner des pièces solides, flexibles et résistantes aux dommages sans ajouter de volume supplémentaire, les matériaux composites sont le choix idéal pour l'allègement. Les composites à matrice polymère et à matrice métallique représentent deux grandes catégories de matériaux composites, et tout composite entrant dans l'une de ces catégories peut être constitué de nombreuses combinaisons différentes de matériaux. En tant que tel, il peut être difficile pour les équipes de produits 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 de produits à maîtriser le processus de sélection des matériaux. Notre équipe de concepteurs, d'ingénieurs, de machinistes et de technologues experts possède des décennies d'expérience dans l'accompagnement d'équipes tout au long du processus de développement de produits. Nous savons donc qu'une pièce exceptionnelle commence par les bons matériaux. Contactez-nous dès aujourd'hui - nous sommes là pour vous 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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