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Pedro Vasconcelos1, F. Jorge Lino2, R.J. Neto3 et Armanda Teixeira3

1ESTG - Instituto Politécnico de Viana doCastelo, Ap. 574, 4900-908 Viana doCastelo, Portugal - Tel: 258819700,pedrovasco@estg.ipvc.pt2FEUP – Faculdade de Engenharia daUniversidade do Porto, Rua Dr. Roberto Frias,4200-465 Porto, Portugal - Tel: 225081704(42), falves@fe.up.pt3INEGI–CETECOFF, Rua do Barroco, 174-214, 4465-591 Leça do Balio, Porto, Portugal- Tel: 229578714, Fax: 229537352,cetecoff@fe.up.pt

INEGI est un institut de rechercheayant développé une activité considé-rable pour la promotion de l’emploides technologies de Prototypage ra-pide (PR) et de Moulage rapide (MR).Grâce à l’utilisation de ces technolo-gies, les sociétés sont en mesure deréduire leurs coûts et leur délai d’intro-duction sur le marché de leurs nou-veaux produits avec un meilleur de-sign et une meilleure qualité amélio-rant ainsi leur compétitivité.Cet article fait partie du travail accom-pli en rapport avec un projet em-ployant un processus de moulage ra-pide indirect pour la fabricationd’outils innovateurs pour le dévelop-pement des produits. Des outils com-posites polymériques sont produits enversant ses mélanges sur des modè-les PR. Les outils manufacturés ser-vent dans des processus tels que lemoulage par injection, le thermofor-mage de différents types de thermo-plastiques, et le formage de feuillesmétalliques.

IntroductionFréquemment, des processus indi-rects MR sont basés sur un modèlePR et sur des technologies tradition-nelles, à coûts de production etd’équipements faibles1, 2.L’objectif de ce travail est de dévelop-per un processus MR indirect, basésur des modèles PR et des matériauxcomposites, afin de manufacturer desoutils de prototypage qui servirontalors à la fabrication de prototypesfonctionnels et de pré-série1-5. Cette

Composites hybrides renforcés auxfibres de verre et de carbone pourmoulage à l’époxy

technique MR indirecte (“moulagedur”)6 garantit un potentiel élevé deréponse plus rapide aux besoins dumarché, donnant ainsi une nouvellelimite à la compétitivité. Grâce à ceprocessus, certaines entreprises se-ront capables de produire des milliersde pièces, mais dans des géométrieslimitées et une fiabilité d’outillage ré-duite. Ceci ne représente pas forcé-ment un désavantage, car un outil ty-pique pour prototypes est souvent uti-lisé pour produire une quantité de piè-ces relativement limitée (environ unecentaine), et la résistance d’un outil delongue durée n’est pas nécessaire.Bien que les méthodes indirectes de-mandent plus de temps lorsque l’oncompare avec les méthodes MR di-rectes, telles que le FMLD (frittagemétallique au laser direct), leur coûtd’opération et d’équipements faible enfont une solution alternative très ap-préciable3.Les outils développés sont composésd’une résine époxy et de particulesd’aluminium, ajoutées pour améliorerla conductivité thermique de l’outil, cequi représente un paramètre essentielpour un moulage d’outils par injectionde plastique 7-8. Cependant, cette pro-cédure affaiblit également les proprié-tés mécaniques de l’outil. Pour parve-nir à surmonter ce problème, des fi-bres ont été ajoutées au composite.

Procédure expérimentaleUne époxy de haute température, ba-sée sur une amine glycidyle aromati-que, montrant une viscosité adéquateà mélanger à de la poudre d’alumi-nium de granulométrie moyenne équi-valente 80 mm, a été employée. Ledurcisseur était une polyaminecycloaliphatique avec un bon niveaude réactivité.Pour obtenir un matériaumultifonctionnel avec de bonnes pro-priétés mécaniques et thermiques,une structure à couches a été pro-duite. Cet objectif a été atteint encombinant des couches externesd’époxy remplies d’aluminium avecdes couches internes d’époxy renfor-

cées aux fibres continues (tissus tis-sés au verre et carbone).Des échantillons laminés ont été pro-duits par un processus de fabricationen couches. Les couches externesriches en aluminium ont été empiléesavec huit couches internes stratifiéesde tissus renforcées et soumises àune force de consolidation de 30 kPaet à la méthode de durcissement res-pective. Deux types de tissus, armureunie, avec poids de fil de chaîne et detrame similaire, ont été utilisés: fibresde verre E (280 gr/m2) et fibres de car-bone HS (196 gr/m2) basées dans unprécurseur PAN (polyacrylonitrile).Pour déterminer les propriétés méca-niques de l’outil composite à produire,des échantillons standard pour test derupture, test de résilience et de con-ductivité thermique ont été faits.

Préparation d’échantillonsAprès durcissement, les échantillonsont été tronçonnés à l’aide d’unemeule de tronçonnage diamantée re-froidie à l’eau sur une machine detronçonnage Accutom-5 de Struerspuis, enrobés dans une résine époxyd’enrobage à froid à faible viscosité(Epofix). Des échantillons ont été ser-rés dans un porte-échantillons poursix échantillons pour le prépolissage/polissage semi-automatique(Planopol-3 et Pedemax-2 de Struers).Les échantillons enrobés ont étéprépolis sur du papier SiC de différen-tes granulométries et, enfin, polis àl’aide d’une suspension à l’alumine(AP-Paste de Struers) sur un drap SP-PoliFloc 1 de Struers. Les détails detoutes ces étapes sont indiqués auTableau 1. Après le polissage, leséchantillons composites renforcés auxfibres de verre ont été soumis à uneattaque chimique pendant dix secon-des, utilisant de l’acide hydrofluoriquedilué 10 %, pour amplifier la visibilitédes fibres.

RésultatsComme l’on peut le constater au Ta-bleau 2, les échantillons d’époxy rem-plis d’aluminium ont une capacité de

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200 µm 200 µm

A B

déformation légèrement plus faible.Cependant, l’addition d’aluminiumaméliore considérablement la conduc-tivité thermique de la résine époxy. Lecomportement thermique de ces com-posites montre une dépendance di-recte dans la densité d’aluminiumdans la matrice d’époxy, comme celaest visible dans la micrographie opti-que de la Figure 1. En combinant descouches externes remplies d’alumi-nium et hautement conductrices avecdes couches internes renforcées parun tissus tissé, un matériau compositehybride fait sur mesure peut être ob-tenu avec caractéristiques optimiséesqui n’étaient pas possible à obteniravec les composants uniques9.Les fibres de carbone, lorsque com-parées aux fibres de verre, montrentune meilleure qualité. Avec les fibresde carbone, la résistance, la rigidité, laconductivité thermique et le traitementdes matériaux sont grandement amé-liorés. Néanmoins, ces compositessont plus coûteux.

L’analyse matérialographique, à l’aided’un microscope optique (OlympusPMG3), du composite renforcé à l’alu-minium démontre que l’aluminium etles fibres sont bien répartis dansl’outil, ce qui est le résultat d’un traite-ment adéquat de ces matériaux. Lesmicrographies optiques obtenues avecdifférentes combinaisons de matièrespremières montrent des dessins inté-ressants du composite laminé hybridequi en résulte (Figure 2). Les pointsnoirs sont des pores créés par l’airretenu durant le cycle de préparation.Ceci est une imperfection qui se trouvetoujours présente lors de la fabricationdes résines renforcées aux fibres.

ConclusionsLe processus de fabrication présenté,basé sur une résine époxy, des char-ges d’aluminium et un renforcementcontinu en fibres, est considérécomme une solution alternative pré-cieuse pour l’usinage rapide indirect.L’analyse matérialographique des

composites offre des informations im-portantes sur le degré et la qualité dumélange des composants.La conductivité thermique élevée de lapoudre d’aluminium et la résistancedes fibres de carbone permettent lafabrication de laminésmultifonctionnels répondant aux exi-gences les plus strictes d’usinageépoxy rapide pour les applications demoulage par injection de plastique,telles que la résistance à la traction etla conductivité thermique.

RemerciementsLes auteurs aimeraient remercierFEDER pour leur soutien financier aucours du projet POCTI/EME/41199/2001, “Development of an IndirectRapid Tooling Process Based inPolymeric Matrix Composites”, ap-prouvé par la Fundação para aCiência e Tecnologia (FCT) et POCTI.

Processus Support Abrasif Taille Lubrifiant Vitesse Force TempsDrap de grain de rotation (N) (min.)

(t/m)

- SiC 320 Eau 150 120 2

Prépolissage - SiC 500 Eau 150 120 3

- SiC 1000 Eau 150 120 3

Polissage SP- Suspension F - 150 120 2PoliFloc1 à l’alumine

Tableau 1: Détails de la préparation d’échantillons pour l’analyse matérialographiquedes composites hybrides basés sur une matrice d’époxy

Résistance Module de Extension à Résistance Conductivitéà la traction traction la cassure aux chocs thermique(MPa) (GPa) (%) (KJ.m-2) (W.m-1.K-1)

Système époxy 40-50 3 2 6.5 0.2

Système époxy + Al 40 7.5 0.9 6.5 2.1

Système époxy + Al + GF 165 15.5 5 72 1.25

Système époxy + Al + CF 295 40 0.75 73 2.1

Al: Aluminium fin; GF: E Fibre de verre - armure toile (280 gr/m2);CF: Fibre de carbone HS 3K - armure toile (196 gr/ m2).

Tableau 2: Propriétés mécaniques et physiques des outilsbasés sur une matrice époxy

Figure 1: La conductivité thermique desépoxis chargés d’aluminium dépend de ladensité d’enregistrement de la poudred’aluminium. Le système (A) présente uneconductivité thermique d’environ le double dusystème (B).

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330 µm 100 µm

A B

200 µm 50 µm

C D

40Composites hybrides renforcés aux fibres de verre

et de carbone pour moulage à l’époxy

Références1. T. T. Wohlers, Rapid Prototyping &Tooling - State of the Industry,Worldwide Progress Report, 1999.2. P. D. Hilton and P. F. Jacobs, RapidTooling, Marcel Dekker, Inc., 2000.3. F. J. Lino, F. J. Braga, M. Simão, R.Neto and T. Duarte, “PROTOCLICK -Prototipagem Rápida”, Edited byProtoclick, Porto, Portugal, 2001. (inPortuguese).4. P. Vasconcelos, F. J. Lino and R.Neto, “The Importance of RapidTooling in Product Development”,Materiais 2001-1st InternationalMaterials Symposium, Faculdade deCiências e Tecnologia, Coimbra, 9-11April, 2001 (to be published inMaterials Science Forum).5. P. Vasconcelos, F. J. Lino e R.Neto, “O Fabrico Rápido deFerramentas ao Serviço da

Engenharia Concorrente”, Tecnometal,nº 136, Set-Out., pp. 17-21, 2001. (inPortuguese).6. D. T. Pham, S. Dimov and F. Lacan,«Firm Tooling, Bridging the GapBetween Hard and Soft Tooling»,Prototyping Technology International,pp. 196-203, 1998.7. P. Vasconcelos, F. J. Lino e R.Neto, “Fabrico Rápido de FerramentasUtilizando Resinas Carregadas”, 1ªs

Jornadas Politécnicas de Engenharia,Auditório da Escola Superior deTecnologia e Gestão de Leiria, 14-16Novembro, 2001. (in Portuguese).8. S. K. Bhattacharya, Metal-FilledPolymers, Marcel Dekker, Inc., USA,1986.9. P. Vasconcelos, F. J. Lino and R.Neto, “Optimisation of Resin ToolingProcessing – Aluminium Filled and Fi-bre Reinforced Epoxies”, CIMTEC

Figure 2: Microstructure stratifiée obtenue aumicroscope optique (Olympus PMG3)montrant des particules d’aluminiumsphériques ainsi que des sections transversa-les et longitudinales des fibres de verre ((A) et(B)); et des fibres de carbone ((C) et (D)).

2002 (International Conferences onModern Materials & Technologies), 3rdForum on New Materials, Florence,14-19 July, 2002.