Qu’est-ce que le tissage 3D ? Préformes à trois axes

Ce qui distingue le tissage 3D du tissage 2D

Dans les tissus conventionnels (toile, sergé, satin), les fils de chaîne et de trame passent les uns au-dessus et au-dessous des autres dans un seul plan. Un tel tissu ne mesure généralement qu’une fraction de millimètre d’épaisseur. Pour fabriquer une pièce composite épaisse, on empile des plis découpés dans ces tissus, on les assemble avec de la résine et on les polymérise. Le résultat est appelé stratifié.

Dans un stratifié, les fibres ne s’étendent que dans le plan de chaque pli. Dans l’épaisseur, seule la fine couche de résine située entre les plis les maintient ensemble. La résine étant bien moins résistante et moins tenace que la fibre, un stratifié est résistant sous charges dans le plan, mais faible en traction dans l’épaisseur et en cisaillement interlaminaire. La séparation des plis, appelée délaminage, est la conséquence la plus connue de cette faiblesse.

Dans le tissage 3D, l’épaisseur est créée par le tissage lui-même. Le métier alimente simultanément de nombreuses nappes de fils de chaîne ; les fils de trame sont insérés entre ces nappes et les fils de liage traversent l’épaisseur pour lier les couches entre elles. La structure ne comporte aucun pli indépendant : la préforme forme une seule pièce dès sa sortie du métier.

Trois axes : chaîne, trame et fil de liage

• Chaîne (X) : fils qui parcourent le métier dans le sens de la longueur, c’est-à-dire dans le sens de production du tissu. Un tissage 3D comporte plusieurs nappes de chaîne superposées.
• Trame (Y) : fils insérés entre les nappes, perpendiculairement à la chaîne. Chaque insertion peut placer des fils de trame à plusieurs hauteurs.
• Fil de liage (Z) : fils alimentés dans le sens chaîne, qui montent et descendent dans l’épaisseur. Ils verrouillent mécaniquement les couches entre elles et assurent la résistance au délaminage.

La dénomination des axes suit la convention habituelle en ingénierie des composites : X et Y sont les directions du plan, Z la direction de l’épaisseur. Les fils de liage ne représentent généralement qu’une faible part de la fibre totale ; les charges dans le plan restent principalement reprises par la chaîne et la trame. Davantage de fils de liage signifie une liaison plus forte dans l’épaisseur, mais moins de fibres disponibles pour les directions du plan. Trouver cet équilibre est l’une des décisions centrales de la conception d’un motif de tissage.

Comment fonctionne le tissage 3D

Un métier à tisser 3D conserve les opérations de base du tissage conventionnel, mais les applique à une chaîne multicouche. Un cycle de tissage comprend les étapes suivantes, dans cet ordre :

1. Formation de la foule : les fils de chaîne et de liage sont levés à différentes hauteurs selon le motif de tissage, ce qui ouvre plusieurs passages (foules) entre les couches.
2. Insertion de la trame : les fils de trame sont passés dans les foules ouvertes.
3. Tassage : le peigne pousse les nouveaux fils de trame contre la façure du tissu.
4. Mouvement des fils de liage : les fils de liage sont amenés vers la face supérieure ou inférieure selon le motif et enveloppent les colonnes de trame dans l’épaisseur.

Le motif de tissage est un tableau qui définit à quelle hauteur se trouve chaque fil pour chaque insertion de trame ; il est souvent exécuté par des systèmes de formation de foule commandés par ordinateur. Le motif peut évoluer pendant le tissage pour suivre la section de la pièce. Le métier peut ainsi produire non seulement des plaques planes, mais aussi des préformes d’épaisseur variable ou courbes. Les préformes des profilés T, Π et H sont tissées fermées (pliées à plat) sur le métier, puis dépliées pour former la section après leur sortie du métier.

Tisser sur de nombreuses couches des fils fragiles et sensibles à l’abrasion comme la fibre de carbone exige une maîtrise fine de la tension des fils et des frottements. La littérature indique que l’endommagement des fils et l’embuvage introduits lors du tissage peuvent affecter les propriétés dans le plan du composite (Mouritz et Cox, 2010). La conception du métier et les paramètres de tissage ont donc un effet direct sur la qualité d’un produit tissé en 3D.

Architectures de tissage 3D

Le trajet des fils de liage dans l’épaisseur définit l’architecture d’un tissage 3D. La littérature distingue trois types principaux (Tong, Mouritz et Bannister, 2002).

Tissage orthogonal

Les fils de liage traversent toute l’épaisseur verticalement ; les fils de chaîne et de trame restent en grande partie rectilignes. Les fils rectilignes contribuent à la rigidité dans le plan, tandis que les fils de liage relient directement les faces supérieure et inférieure. La section du schéma ci-dessus illustre cette architecture.

Interlock d’angle couche à couche

Les fils de liage ne traversent pas toute l’épaisseur ; chacun lie en oblique des couches adjacentes. Les couches s’imbriquent comme les maillons d’une chaîne. Cette structure épouse généralement plus facilement la forme d’un moule, et l’épaisseur peut être augmentée en ajoutant des couches.

Interlock d’angle dans l’épaisseur

Les fils de liage traversent toute l’épaisseur en oblique. Cette architecture se situe entre les deux autres quant à l’équilibre entre liaison dans l’épaisseur et propriétés dans le plan.

L’architecture est choisie en pesant ensemble le cas de charge, l’épaisseur, le besoin d’épouser un moule et la cadence de production. Des motifs différents peuvent aussi être utilisés dans différentes zones d’une même pièce.

Tissage 3D hybride

Les fils de chaîne, de trame et de liage étant alimentés séparément sur le métier, chaque axe d’un tissage 3D peut utiliser une fibre différente. Le carbone peut apporter la rigidité dans la direction qui porte la charge, tandis que l’aramide peut servir dans les fils de liage ou sur une face exposée aux chocs, et le verre là où le coût ou l’isolation électrique priment. Les différentes fibres sont verrouillées entre elles par les fils de liage dans une seule préforme ; contrairement à un stratifié hybride constitué de plis empilés de matériaux différents, les transitions entre matériaux restent liées également dans l’épaisseur. Les structures tissées 3D hybrides sont largement étudiées dans la littérature. Comme les fibres diffèrent par leur rigidité et leur allongement à la rupture, le choix des fibres et du motif de tissage est évalué avec le cas de charge et les conditions d’utilisation de la pièce.

De la préforme au composite

Ce qui sort d’un métier à tisser 3D est une préforme fibreuse sèche, encore dépourvue de résine. Pour devenir une pièce composite, la préforme est placée dans un moule et la résine y est injectée sous pression ou sous vide. Les procédés les plus courants sont le moulage par transfert de résine (RTM), le moulage par transfert de résine assisté sous vide (VARTM) et l’infusion sous vide. Après polymérisation de la résine, la pièce est démoulée puis, si nécessaire, usinée en CNC.

Une préforme sèche d’une seule pièce facilite aussi la production : il n’est pas nécessaire de découper et de déposer des dizaines de plis un par un, et des erreurs comme le glissement des plis ou leur dépose selon un mauvais angle ne peuvent pas se produire. En revanche, imprégner complètement une préforme épaisse et serrée demande une conception de procédé soignée. Si l’écoulement de la résine est insuffisant, des zones sèches et des vides (porosité) peuvent se former.

Avantages et limites

La littérature résume ainsi les principales caractéristiques des composites tissés en 3D (Mouritz et al., 1999 ; Tong et al., 2002) :

• La ténacité à la rupture interlaminaire et la résistance au délaminage sont nettement plus élevées que dans des stratifiés 2D équivalents.
• L’endommagement dû à un impact reste confiné à une zone plus petite, et la résistance en compression après impact (CAI) est plus élevée.
• Les zones de jonction telles que les sections T, Π et H peuvent être tissées d’une seule pièce, ce qui réduit le nombre de lignes de collage et de fixations.
• La préforme sortant d’une seule pièce, la main-d’œuvre de drapage des plis disparaît.

Les mêmes sources sont tout aussi claires sur les limites :

• L’embuvage dû aux fils de liage et l’endommagement des fils lors du tissage peuvent, dans certaines structures, abaisser la rigidité et la résistance dans le plan en dessous de celles d’un stratifié équivalent. L’ampleur de cet effet dépend de l’architecture, de la proportion de fils de liage et de la qualité de fabrication (Mouritz et Cox, 2010).
• Des zones riches en résine peuvent se former autour des fils de liage, et l’endommagement peut s’y amorcer (Cox et al., 1994).
• La conception du métier et du motif exige un savoir-faire spécialisé, et les options d’approvisionnement sont plus restreintes que pour les tissus standard.

Le tissage 3D n’est donc pas le bon choix pour toutes les applications. Les gains les plus importants concernent les pièces dont le dimensionnement est gouverné par le délaminage, l’endommagement par impact ou la séparation au niveau d’une jonction.

Comparaison : stratifié 2D et composite tissé en 3D

Domaines d’utilisation des composites tissés en 3D

Les composites tissés en 3D sont utilisés, ou à l’étude, pour les jonctions et pièces de liaison aéronautiques, les composants exposés aux impacts comme les aubes de soufflante des moteurs d’avions commerciaux, les structures spatiales, la défense et la protection balistique, les structures navales et les aéronefs sans pilote. Ces applications ont en commun l’exposition de la pièce à un endommagement interlaminaire dû aux impacts, aux vibrations ou aux contraintes au niveau d’une jonction. La revue publiée en 1999 par Mouritz et ses coauteurs présente les premiers exemples de ces applications et les propriétés pour lesquelles le tissage 3D a été retenu.

En pratique

3Dwovens mène des travaux de R&D sur le tissage 3D depuis 2011, et ses métiers à tisser sont conçus et construits en interne. La plaque en carbone tissée en 3D OWC est obtenue en transformant une préforme ainsi tissée en composite à l’aide d’une résine époxy. La plaque mesure 500 × 250 × 6,5 mm, présente une masse volumique d’environ 1,55 g/cm³ et une température de transition vitreuse (Tg) de résine de 140 °C.

D’après les résultats d’essais, les éprouvettes tissées 3D et RTM ont atteint 813–993 MPa de résistance à la traction et 94–107 GPa de module de flexion. Dans les mêmes essais, les éprouvettes de préimprégné unidirectionnel (UD) ont atteint 718–819 MPa et 82–91 GPa, et celles de préimprégné tissu toile 420–454 MPa et 39–41 GPa. Ces valeurs s’appliquent à des éprouvettes et à des conditions d’essai précises ; vérifiez-les dans vos propres conditions de chargement avant de les utiliser comme valeurs de calcul. Pour des profilés T, Π, H ou caisson tissés selon un plan, un devis peut être demandé sur la page production sur mesure.

Questions fréquentes

Références

• Mouritz, A. P., Bannister, M. K., Falzon, P. J., Leong, K. H. (1999). Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 30(12), 1445–1461.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
• Mouritz, A. P., Cox, B. N. (2010). A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven, stitched and pinned composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(6), 709–728.
• Cox, B. N., Dadkhah, M. S., Morris, W. L., Flintoff, J. G. (1994). Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metallurgica et Materialia, 42(12), 3967–3984.
• Chen, X. (ed.) (2015). Advances in 3D Textiles. Woodhead Publishing.
• ASTM D3039/D3039M. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.
• ASTM D7264/D7264M. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.