Structures et processus de fabrication Composite dans l'industrie navale

La structure composite en sandwich, comparativement au monolithique, se distingue par sa meilleure rigidité et sa légèreté, en contrepartie elle est plus complexe à mettre en œuvre et parfois plus coûteuse.

Dans le cadre de la fabrication d'une structure composite en sandwich, le processus le plus adapté afin d'avoir un niveau de qualité élevée est clairement l'infusion. 

Cela permet d'avoir une rigidité et une légèreté remarquable tout en gardant une maîtrise des coûts.

Vous retrouverez dans cet article une vue d'ensemble des différents processus de fabrication des matériaux dits composites, c'est-à-dire le choix de la structure composite et les méthodes adoptées pour son assemblage.

Pour rappel, par « composite », on entend le mariage de deux composés de natures différentes dont les propriétés peuvent être complémentaires, dans le but d'obtenir un nouveau matériau dont les capacités sont différentes et souvent supérieures à celles des composants pris individuellement.

Dans notre cas, il s'agit du mélange de différents types de fibres avec diverses résines afin d'obtenir ce matériau « composite » à la fois rigide et résistant à la corrosion.

Premièrement : quelle structure de composite choisir ?

Monolithique ou sandwich ?

La construction monolithique et la construction en sandwich sont deux approches distinctes utilisées dans la construction navale, chacune ayant ses avantages et applications spécifiques :

Construction Monolithique

• Définition : Une structure monolithique est constituée d'une seule couche de matériau composite, sans séparation ou couches distinctes de différents matériaux à l'intérieur de la structure.
• Caractéristiques :
  • Simplicité : La structure est plus simple à concevoir et à fabriquer car elle ne nécessite pas l'assemblage de différentes couches.
  • Résistance : Peut offrir une bonne résistance à travers toute son épaisseur, mais peut être plus lourde pour obtenir une rigidité équivalente à une structure sandwich.

Construction en Sandwich

• Définition : Une structure en sandwich consiste en une couche centrale légère (l'âme) prise en sandwich entre deux peaux composites fines mais rigides
   
• Caractéristiques :
  • Légèreté et Rigidité : L'âme fournit une séparation entre les peaux, augmentant considérablement le moment d'inertie de la structure sans ajout de beaucoup de poids, ce qui donne une très bonne rigidité à poids égal.
  • Isolation : L'âme peut également fournir des propriétés d'isolation thermique et phonique.
  • Complexité de Fabrication : Plus complexe à construire car il faut s'assurer que l'adhérence entre l'âme et les peaux est parfaite pour éviter la délamination.

Différences Clés :

• Performance :
  • La construction en sandwich est généralement plus légère pour la même rigidité, ou plus rigide pour le même poids, que la construction monolithique.
     
• Fabrication et Coût :
  • Le monolithique peut être moins coûteux et plus simple à fabriquer dans certains cas, surtout pour des petites structures ou prototypes.
  • Le sandwich demande plus de matériel et de savoir-faire, mais offre des avantages structurels significatifs qui peuvent justifier le coût supplémentaire dans des applications exigeantes.
     
• Application :
  • La construction monolithique est souvent utilisée quand la robustesse simple est nécessaire ou pour des pièces où le poids n'est pas critique.
  • La construction en sandwich est favorisée dans les navires de performance, et toute application où la légèreté combinée à une grande rigidité est essentielle.

Ces deux méthodes sont choisies en fonction des besoins spécifiques du projet en termes de performance, de coût, de poids, et de complexité de fabrication.

La question se pose en fonction des caractéristiques que vous souhaitez pour votre bateau.

De notre côté, avec Andaman Sails, nous visons uniquement la production de bateaux performants, pour cette raison c'est logiquement la construction en sandwich qui a été retenue.

Après ce choix, il reste à déterminer le procédé de mise en œuvre pour obtenir la structure désirée.

Mousse intercalaire placée entre les deux couches de composite, découpe sur-mesure à la CNC en puzzle afin d'assurer la meilleure résistance structurelle possible. 
GREYachting Shipyard

Deuxièmement : quel processus d’assemblage ?

Comme nous l'avons précédemment indiqué, la réalisation d'une structure composite nécessite le mélange de deux composants complémentaires, souvent dotés de propriétés distinctes. Par conséquent, la méthode de mixage est d'une importance capitale pour garantir un assemblage de qualité.

voila un exposé succinct des principaux procédés de mariage entre fibre et résine, nous nous limiterons aux principaux procédés de fabrication utilisé dans le domaine de la plaisance.

1. Le Moulage par Contact (Hand Lay-Up)

• Procédé : La résine est appliquée manuellement sur des tissus de fibres de verre (ou autres fibres comme le carbone, le basalt ou le kevlar) placés dans un moule ouvert. On utilise un rouleau pour éliminer les bulles d'air et assurer la bonne imprégnation des fibres.
• Matériaux : Fibres de verre (ou autre), polyester, vinylester ou époxy comme résine.
• Applications : Prototypes, petites séries, réparations, pièces uniques.
• Qualité : Dépend fortement de l'habileté de l'ouvrier, ce qui peut mener à des variations dans la qualité.

2. Un peu plus industrialisé, le Spray-Up

• Procédé : Utilise un pistolet qui projette les fibres de verre avec la résine directement dans le moule.
• Matériaux : Similaires au hand lay-up mais avec une machine spéciale pour hacher et projeter les fibres.
• Applications : Production plus rapide que le hand lay-up, souvent pour des pièces moins critiques ou des coques de plus grandes dimensions.
• Qualité : Moins de contrôle sur la distribution et la qualité des fibres, plus de risques de vides.

3. l’Infusion sous Vide (VIP)

• Procédé : Les fibres sèches sont disposées dans le moule, puis couvertes d'un film plastique. Un vide est créé, aspirant la résine injecté à travers les fibres, assurant une distribution uniforme et minimisant les vides.
• Matériaux : Fibres diverses, résines époxy principalement pour une meilleure adhésion et résistance.
• Applications : Haute qualité requise, production en série moyenne, utilisé dans les yachts de performance.
• Qualité : Très haute avec un excellent ratio fibre/résine.

4. Prepreg (Pre-imprégné)

• Procédé : Les fibres sont pré-imprégnées de résine à un stade semi-durci, stockées à froid pour éviter la polymérisation. Elles sont ensuite posées dans un moule et durcies sous chaleur et pression dans un autoclave.
• Matériaux : Fibres de carbone ou kevlar pré-imprégnées, résines époxy de haute performance.
• Applications : Secteur de la compétition, pièces nécessitant une très haute résistance et faible poids.
• Qualité : Très précise et uniforme, avec des propriétés mécaniques exceptionnelles.

Ces méthodes peuvent également être combinées pour tirer parti des avantages de chacune dans la construction d'un voilier, en adaptant la technique à chaque partie du bateau selon les exigences de performance ou de coût.

Dans notre démarche avec Andaman Sails, la quête d'un produit de haute qualité à des coûts maîtrisés nous a naturellement orientés vers la méthode d'infusion. Ainsi, notre production repose sur une combinaison de la structure sandwich et de l'infusion.

Le processus commence par la réalisation de la structure sandwich dans un moule. Cette structure est ensuite placée sous vide, permettant l'infusion simultanée des deux couches de composite avec l’âme intercalaire. Pour prévenir tout risque de délamination, nous intégrons des fibres qui traversent la mousse, assurant une cohésion parfaite entre les couches.

L'adoption de ce procédé nous permet d'obtenir des résultats exceptionnellement légers, rigides et résistants, tout en contenant les coûts de production.

Une fois la structure choisie et la méthode de mise en œuvre déterminée, la prochaine étape consiste à sélectionner les matériaux les plus adéquats pour atteindre le meilleur résultat possible. Pour une exploration détaillée des différents types de résines, fibres et matériaux qui entrent dans la composition de nos composites, nous vous invitons à consulter notre article dédié.

Gelcoating du moule et infusion des trois couches simultanément. 
GREYachting Shipyard