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L’utilisation des composites à matrice polymère et renfort fibreux dans les applications industrielles.

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Bien que l’utilisation de matériaux innovants soit un gage de compétitivité dans tous les domaines de l’industrie l’utilisation des composites à matrice polymère et renfort fibreux dans les applications industrielles est longuement restée cantonnée à des pièces semi-structurales ou d’habillage. Néanmoins, les progrès de la technologie des composites sont tels qu’on assiste de plus en plus à leur emploi comme matériaux de structure. Leur certification pour une application industrielle est en grande partie déterminée par leur capacité à supporter les diverses sollicitations en service. La réalisation des structures fait souvent appel à des opérations d’enlèvement de matière à l’outil coupant. Selon la nature de cette opération, des endommagements (délaminages, dégradations thermiques, arrachement de fibres) peuvent être occasionnés. Les composites ne sont généralement pas conducteurs de l’électricité, l’électroérosion est donc impossible, ce qui limite les procédés utilisables à, essentiellement, l’usinage conventionnel, parfois qualifié d’usinage par enlèvement de copeaux, l’usinage par laser, par jet d’eau et par ultrasons. Les ultrasons ne sont que rarement utilisés, car ils sont plutôt adaptés aux matières dures. Les matériaux composites sont constitués d’une matrice contenant un réseau de fibres en nappe, éventuellement tissées (hétérogénéité). Il faut donc usiner simultanément deux matières de natures différentes (résine et fibres). Avec ce type de matériau, l’usinage par enlèvement de copeaux se traduit en fait par une création de poudre et non pas par la formation d’un copeau. Ces poudres sont souvent propulsées dans l’air autour de l’outil de coupe avant de retomber. Il faut alors penser que ces poudres peuvent être abrasives ou conductrices d’électricité et susceptibles de générer un court-circuit (fibres de carbone). Dans le cas de composites à fibres orientées, on peut aussi avoir une structure anisotrope (comportement différent selon la direction envisagée), ce qui s’ajoute aux difficultés d’usinage. La rigidité, par exemple, sera plus grande dans le sens longitudinal des fibres que dans le sens perpendiculaire, ce qui peut, lors de l’usinage, générer des déformations non souhaitées. La chaleur créée par l’opération d’usinage restant concentrée sur la zone usinée peut entraîner une déformation thermique importante et un risque de dégradation thermique. La présence des fibres engendre une usure très rapide des outils traditionnels (acier rapide), les outils en carbure, voir revêtus, sont impératifs.

L’interface outil-pièce est un lieu d’interactions complexes entre phénomènes mécaniques, thermiques et physico-chimiques. La surface de l’outil en contact avec la pièce subit diverses formes d’usure, la plus significative est l’usure par abrasion. La qualité de la surface usinée, ainsi que la durée de vie des outils dépendent largement des conditions dans lesquelles s’effectue la coupe. Dans le souci de protection de l’environnement la tendance actuelle est de limiter, et même de supprimer, l’emploi des lubrifiants. Dans le cas de l’usinage des composites, la suppression des fluides de coupe est liée au coût du lubrifiant, de son traitement et de l’entretien de la machine-outil, car le système de lubrification va être encrassé par la poussière abrasive de fibres de carbone. L’usinage à sec des composites doit alors passer par le développement de géométries d’outils optimisées, la recherche de conditions de coupe optimales et/ou la réalisation des nouveaux revêtements d’outils. Dans l’industrie, les méthodes d’optimisation sont encore largement basées sur les connaissances acquises au cours des années et sur des essais longs et coûteux. Mais avant de mettre en place des solutions ou de développer des modèles, il est nécessaire de caractériser de manière précise les différents modes d’endommagement et de maîtriser tous les facteurs qui conduisent à l’usure des outils.

 

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