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Profilés structurels en composite

Quels bénéfices techniques et économiques par rapport aux métaux ?

Les structures, charpentes, plateformes, cadres, armatures, caissons, squelettes…. qui portent la majorité des efforts d’une construction, d’une machine ou d’un produit sont encore majoritairement métalliques.
Pourtant, ceux qui se convertissent aux composites pultrudés en fibre de verre & résine polyester pour ces fonctions sont de plus en plus nombreux. Pourquoi ? Que trouvent-ils dans cette technologie pour l’adopter et ne plus jamais revenir en arrière ?
Quelques éléments de réponse qui montrent comment tirer le meilleur des caractéristiques des composites pour permettre des progrès parfois spectaculaires en termes de performances économique, environnementale et technique…

Poutre composite

Qu’est-ce qu’un composite pultrudé ?

Seules 5% des pièces en matériaux composites sont fabriquées de façon continue, et non de façon individuelle, principalement par moulage. La pultrusion, qui se rapproche de l’extrusion aluminium, est le procédé de fabrication des composites le plus efficient énergétiquement et économiquement.
Il consiste à mettre en forme et cuire les renforts (fibres de verre, de carbone, fibres naturelles, etc..) déroulées et imprégnées dans un bain de matrice thermodurcissable (résine époxy, polyester, vinylester, PU, etc…)

Installation

La pultrusion est souvent utilisée pour concevoir sur mesure des pièces aux géométries et caractéristiques adaptées pour chacune des applications spécifiques à chaque client. Il existe cependant des standards aux géométries universelles et aux caractéristiques mécaniques de référence : les profilés fibre de verre / résine polyester dits « Structurels ».
Leur usage est largement répandu dans les industries pour lesquelles la durée de vie et l’absence de maintenance dans un environnement très corrosif est primordial (industrie chimique, traitement des eaux, environnement marin ou radioactif…)
Ils sont aussi souvent utilisés en première approche pour construire des prototypes, avant d’optimiser la solution avec une formulation et une géométrie sur mesure.

Fabrication des profilés en vidéo

Ci-dessous une petite vidéo de présentation du procédé de pultrusion, éditée par la société Exel Composites


Installation Installation

Quelles différences vis-à-vis des métaux classiques ?

Caractéristiques mécaniques

Si l’on veut résumer simplement ces différences, disons « plus léger, aussi résistant, plus souple, et anisotrope »

PropriétéUnitéComposite pultrudé
Verre/Polyester E23
Acier Aluminium
Densitég/cm31,87,852,7
Module d'élasticité en tractionGPa2321070
Contrainte maximale en tractionMpa240250240
Module de cisaillementGPa38127

Ce qui est plus facile à mémoriser sous cette forme :

Il faut surtout retenir que le composite pultrudé, du fait de la direction préférentielle des fibres, introduites de façon longitudinale lors du process de fabrication en continu, diffère donc des métaux par ce caractère anisotrope, et que ceci, allié à sa plus forte déformation induite par sa souplesse nécessite des outils de dimensionnement adaptés.

Caractéristiques mécaniques détaillées

Vous retrouvez dans le tableau ci-dessous les caractéristiques de deux catégories de qualité : E23 et E17. Celles-ci dépendent de la quantité et surtout l'organisation des fibres, donnant des caractéristiques mécaniques différentes.

Caractéristiques mécaniques


Zéro maintenance et bilan carbone

On dit souvent que l’on ne choisit pas les composites pour UNE seule raison, mais pour un faisceau de bénéfices. On pourrait ajouter que plus on évalue son projet à long terme, plus leurs bénéfices s’affirment.
D’abord, la résistance à la corrosion à vie sans aucun traitement ni maintenance est un facteur décisif si le coût de fonctionnement est pris en compte dès la conception. Donc plus on pense au coût global pour son client, plus le composite est compétitif et plus économique sur l’intégralité de sa durée de vie.
Allié à une fabrication plus sobre en ressources et en énergie, cela permet aussi d’évaluer un impact environnemental globalement moitié moindre que les métaux : adopter les composites, c’est un pas concret, rapide et simple pour se mettre en marche vers les objectifs de l’Accord de Paris pour le Climat.

Bilan carbone

Autres points

D'autres éléments sont intéressants à noter sur les profilés composites :


Quels standards et à quel prix ?

Les gammes de profilés structurels sont largement inspirés des formes métalliques, et sont constituées de poutres en I, U, carrés, plats et angles, d’épaisseur s’étageant de 3 à 12mm.
Il est intéressant de noter que des outils à combinaison, c’est-à-dire réglables, permettent de fabriquer des formes d’angles ou de plats à la demande, souvent à partir d’une MOQ de 1000m (sans coûts d’outillage, qui s’élèvent à quelques milliers d’euros pour un profilé sur mesure).
La disponibilité est généralement en longueur de 6 ou 12m, et les prix se situent dans un intervalle de 4 à 8 euro/kg. Cependant, étant donné que leur densité est bien moindre que celle de l'aluminium ou de l'acier, l'écart de prix n'est pas si important que ça...
Ils sont habituellement tenus en stock et dispatchés, même pour de faibles quantités, par des plateformes spécialisées comme www.exelnow.com

Exemple profilés Installation

Assemblage des profilés

Tout comme les structures métalliques, les structures composites s’assemblent par boulonnage, principalement Inox.
Afin de ne pas créer d’écrasement local ou de concentrations de contraintes trop importantes, il est recommandé d’utiliser des rondelles de diamètre 3,4 fois le DN côté boulon ainsi que côté écrou, ainsi que des manchons en acier inoxydables.
Les perçages, réalisés à une distance minimale de 3 fois le DN de perçage, doivent être espacés entre eux d’une distance de 4 fois le DN au minimum.

L'assemblage par collage est également possible, ceci dit il faut être vigilant : choix de la colle, préparation des surfaces, temps de séchage, dimensions des surfaces encollées... De nombreux critères sont à prendre en compte !
Mais vous pourrez demander conseil pour les process d'assemblage aux fabricants et distributeurs de profilés composites, ils seront ravis de vous aider !



Article rédigé par Guillaume KLEIN, Spécialiste en matériaux composites

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