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Revue des Composites et des Matériaux Avancés

1169-7954
 

 ARTICLE VOL 23/3 - 2013  - pp.353-355
TITRE
AVANT-PROPOS

RÉSUMÉ

A une époque où la réduction énergique et la diminution des polluants est un enjeu à la fois économique et sociétal, l’introduction des matériaux composites est souvent une clé pour l’allégement des structures dans le transport (dans l’aéronautique, l’automobile ou le ferroviaire), l’énergie (éolien, hydrolien…) et pour d’autres raisons dans le sport (nautisme…).

Les propriétés spécifiques de ces matériaux composites, les possibilités d’innovation offertes par leurs procédés de mise en oeuvre en font des matériaux de choix pour les industriels. Ils connaissent actuellement un essor considérable dans de nombreux domaines d’activités. Malgré une utilisation sans cesse croissante, la réalisation de pièces en matériaux composites conserve encore bien souvent un caractère artisanal. De plus, la performance de ces matériaux ne suffit pas à elle seule à assurer leur compétitivité, il est également nécessaire de maîtriser l’ensemble des coûts associés.

Pour les composites hautes performances (à base de fibres continues de carbone), le prix élevé de la matière première ne peut souvent être compensé que par l’introduction de fonctions mécaniques et la diminution des opérations d’usinage. Pour les composites, qui ne sont pas à un paradoxe près, plus on cherche à diminuer ces opérations d’usinage plus elles revêtent un caractère essentiel pour la proposition de solutions réellement concurrentielles. En effet, non seulement l’usinage des composites est souvent difficile à effectuer en raison de la nature hétérogène et de l’abrasivité de ces matériaux mais ces opérations délicates sont de plus en plus réalisées sur des pièces à forte valeur ajoutée au coût unitaire très élevé, de grande taille, de forme très complexe avec des épaisseurs de plus en plus importantes.

La plupart des procédés de mise en oeuvre des composites génèrent une bavure sur la périphérie et ne permettent pas d’obtenir des trous de faibles diamètres. L’usinage est donc une opération incontournable entre autre pour le perçage et le parachèvement des structures composites. Il est bon de signaler aussi l’importance croissante de la préparation des surfaces en vu d’assemblage par collage. Mais cet usinage pose encore actuellement de nombreux et sérieux problèmes. Les premières difficultés sont directement liées à la nature même des composites, à leur hétérogénéité et leur anisotropie.

L’anisotropie, l’hétérogénéité et surtout le très fort contraste de propriétés (raideur, dureté, ductilité ou résistance) entre le renfort et la résine sont à l’origine à la fois de la création de défauts lors de l’usinage (fissuration, délaminage, fibres non coupées, arrachements…) mais aussi de la libération des contraintes résiduelles qui peuvent modifier la géométrie de la pièce en cours d’usinage ou de l’endommagement des résines qui peut apparaître pour des températures relativement faibles (brûlure). En résumé, usiner un matériau composite revient souvent à couper les fibres tout en évitant d’engendrer des brûlures superficielles, des délaminages ou des arrachements de fibres. Ces particularités d’anisotropie et d’hétérogénéité compliquent énormément les tentatives de modélisation et de simulation qui pourraient permettre des réglages optimaux des paramètres d’usinage.

Ces difficultés propres aux composites imposent de nouveaux défis à l’usinage, dont la variabilité de l’usinabilité et la qualité de la finition ne sont pas les moindres. On peut noter également le choix difficile des produits de refroidissement ou de lubrification (incompatibilité de l’eau et des sandwichs NIDA-Nomex ou la réactivité chimique de certaines résines) ou les conséquences sur l’usure prématurée d’outils ou sur les détériorations et sur les pannes des machines.

La sélection d’un procédé de parachèvement en fonction du type de procédé, de la géométrie de la structure et des matériaux la constituant est déjà un casse-tête : Faut-il privilégier l’usinage par outil coupant ou par abrasion ? Faut-il favoriser l’usage de fraises en carbure monobloc ou PCD (Poly Cristallin Diamond), l’utilisation du perçage vibratoire, de jet d’eau, ou de laser ?

Un des points-clés repose aujourd’hui sur la sélection du moyen le mieux adapté et sur la maîtrise des paramètres d’usinage pour garantir la conformité des pièces, la santé matière, sans oublier l’intégrité des opérateurs. En effet, de mauvais réglages peuvent conduire à une usure prématurée avec perte d’acuité de l’arête entraînant plus de défauts et d’échauffement.

En termes de modélisation et de simulation numérique, il est attendu un apport pour l’optimisation de l’usinage conventionnel avec comme objectifs la réduction de l’usure de l’outillage et la limitation des défauts au regard de l’augmentation des cadences mais également des modèles capables de prévoir la déformation de la pièce en cours d’usinage ou d’estimer la nocivité des défauts créés afin d’établir des critères d’acceptabilité. Dans le but de développer ce type de modèles et de mieux comprendre les phénomènes complexes mis en jeu, l’apport des nouvelles techniques d’instrumentation des moyens d’usinage est indéniable. Ces démarches de modélisation doivent s’accompagner également d’une caractérisation physicomécanique poussée du matériau.

Une amélioration attendue passe aussi par l’adaptation des connaissances du personnel aux spécificités de l’usinage des composites pour permettre un choix optimum des outils et conditions de coupe, et une bonne gestion des risques spécifiques liés aux chutes non maintenues lors des opérations de détourage ou à la dangerosité des poussières contenant de fines particules de carbone ou encore des émanations lors de la brûlure des résines.

Même s’il existe (au moins au niveau scientifique) des éléments de réponse à la plupart des questions posées par l’usinage des composites et un certain recul sur certaines opérations/procédés (perçage des structures stratifiées), cette problématique reste largement ouverte et divise le monde scientifique sur le choix des méthodes à utiliser. On assiste ainsi depuis quelques années à une véritable effervescence dans les laboratoires que ce soit sur l’émergence de nouvelles techniques d’usinage, la proposition d’instrumentations pertinentes des moyens ou la mise en place de méthodes de simulation performantes. Au niveau industriel, les compétences réelles en matière d’usinage de ces matières composites n’existent pas toujours même chez les fournisseurs d’outils. Cela conduit à des opérations réalisées « au feeling », basées sur des compétences malheureusement inadaptées forgées dans le domaine des métaux ce qui conduit souvent à des surcoûts (rebuts importants ou consommation excessive). A noter également que ces problèmes d’usinage s’accentuent encore pour les empilements multimatériaux ou les structures hybrides métal/composite (par exemple l’érosion de la partie composite par les copeaux métalliques).

Ce numéro regroupe une partie importante des travaux présentés lors de la journée scientifique et technique du 23 mai 2012 organisée à l’ONERA Châtillon par le groupe Matériaux et Structures Composites de l’Institut Clément Ader de Toulouse, le Laboratoire de Mécanique et de Rhéologie de Ecole Nationale d’Ingénieurs du Val de Loire, et le Département Matériaux et Structures Composites de l’ONERA Châtillon. Il se propose de discuter :

  • des avancées dans le domaine des outils de coupe dédiés à l’usinage des matériaux composites dans le domaine du perçage, du fraisage et du détourage… ;
  • des modèles d’usures pour la prévision de la durée de vie des outils de coupe dans le domaine du perçage et du détourage ;
  • des différentes méthodes et techniques utilisées pour l’optimisation des paramètres de coupe comme le couple « outil/matière », les plans d’expérience, l’analyse vibratoire… ;
  • les problèmes rencontrés lors du perçage des multimatériaux et les solutions préconisées ;
  • des avancées dans le domaine du fraisage par jet d’eau abrasif pour une application de type réparation de structures composites.


AUTEUR(S)


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Français

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