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Avantages de la résine Epoxy dans les structures composites marinesTrois types de résine sont utilisés en construction navale: Epoxy, Vinylester et Polyester. Bien qu’elles soient toutes les trois des polymères qui deviennent durs lorsque mélangés à un catalyseur, des différences importantes existent entre ces résines.

Dans les années soixante, la construction navale avec de la fibre de verre renforcée au Polyester prend un essor majeur. Quinze ans plus tard, les chantiers se remplissent de coques Polyester souffrant d’osmose. En conséquence, les résines Vinylester, une forme hybride de Polyester qui a été durcie avec des molécules Epoxy, ont été créées dans les années quatre-vingts. Toutefois, bien qu'elles aient résolu les problèmes d’osmose, ces résines ont encore les mêmes limitations que le Polyester en termes de retrait, adhésion et fatigue.

                                       
     Chaine Polyester:                                                                       Chaine Epoxy:          
        adhésion et cohésion faibles                                       adhésion et cohésion excellentes

Aujourd’hui, 95% des bateaux de plaisance sont encore fabriqués à partir de résines Vinylester ou Polyester. La considération principale dans la sélection des matériaux pour la plupart des constructeurs est le coût et la facilité d'application; les performances et, plus important, le retour sur investissement du navire deviennent des considérations accessoires. En règle générale, les résines Epoxy sont deux à cinq fois plus chères que les résines Vinylester, qui sont elles mêmes deux fois plus chères que les résines Polyester du fait de l'ajout du composant Epoxy.

Les résines pouvant constituer 40 à 50% du poids d’un matériau composite, la différence de prix a un impact conséquent sur le prix de revient de la structure d’un bateau. Toutefois, la différence de retour sur investissement (donc sur le prix de revente) du fait d’une qualité de matériaux supérieure, et d’une durée de vie plus longue, peut être énorme.

Quels sont les facteurs contribuant à cette différence ?

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Propriétés mécaniques
Deux propriétés importantes d’un laminé composite sont sa résistance à la traction, et sa résistance à la flexion. La courbe ci-dessous montre les résultats de tests effectués sur des résines Polyester, Vinylester et Epoxy courantes, durcies à la température de la pièce, ou post-durcies à 80°C.

         
Resistances à la traction et à la flexion (Source: Gurit SP)

Après une cure de sept jours, la résistance à la flexion d’un laminé Epoxy est de 20 à 30% plus élevée que celle des laminés Polyester ou Vinylester. Plus important, après cuisson la différence devient encore plus importante. Un laminé Epoxy curé à 80°C aura des résistances proches du double de celles d’un laminé Polyester ou Vinylester. En conséquence, pour la même résistance requise, un laminé Epoxy pourra être beaucoup plus mince et léger.

Les âmes et peaux des panneaux "ATL Duflex", utilisés pour la construction des Spirited, sont assemblés sous presse chaude, une méthode qui permet de réduire le volume de résine et donc le poids tout en augmentant fortement la résistance du panneau.

Porosité
Une résine Epoxy est en moyenne quatre fois moins poreuse qu’une résine Vinylester, et sept fois moins qu’un Polyester. De plus, les résines Vinylester et Polyester sont sujettes à dégradation dans l’eau, du fait de la présence des esters dans leur structure moléculaire: un laminé Polyester gardera seulement 65% de sa résistance au cisaillement après une période d’immersion d’un an, alors qu’un laminé Epoxy en gardera 90%. Donc vous pouvez vous offrir le luxe d’avoir votre bateau à l’eau toute l’année, sans vous soucier d’une pénétration d’eau dans l’âme du composite, ou d’une perte de résistance de la coque.

 
Effets d’une période d’immersion sur la
résistance au cisaillement (Source: Gurit SP)

Les parties immergées des coques peuvent être construites en sandwich composite comme le reste de la structure. Les navires construits avec des résines Vinylester ou Polyester ont généralement des laminés monolithiques sous la ligne de flottaison, ce qui donne des structures lourdes et non ductiles. De plus, beaucoup de chantiers offrent (en option !!) des traitements « anti-osmose » qui consistent simplement en l'application de deux couches de résine Epoxy. Comparer cela à un bateau construit avec des résines Epoxy dans la masse, revient à comparer un acier galvanisé à un acier inoxydable…

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Adhésion
L’adhésion entre un laminé Epoxy et l’âme du sandwich, est quatre fois plus importante qu’avec une résine Vinylester : 14 MPa contre seulement 3.5 MPa pour les résines Vinylester, et encore moins pour les Polyesters. De plus, comme l’Epoxy cure avec trois fois moins de retrait que les Vinylester ou Polyester, les surfaces de contact entre la peau et l’âme ne subissent pas de cisaillement pendant la cure, ce qui garantit que la structure pourra ultérieurement subir des efforts sans micro-fracture ou délamination.

Contrairement aux résines Vinylester ou Polyester qui ne sont compatibles qu’avec la fibre de verre non curée, la résine Epoxy fera adhérer entre eux des matériaux différents ou déjà curés, ce qui rend les travaux de réparation ultérieurs très fiables et solides. L’Epoxy permet en fait une excellente adhésion entre toutes sortes de fibres et matériaux.

Résistance à la fatigue
Lorsque vous naviguez, avec chaque vague et chaque mouvement du bateau, la structure subit des chocs et contraintes répétés, qui cumulent à des millions de cycles durant la vie du bateau. La rupture par fatigue résulte de l’accumulation de dommages minuscules.

Longtemps avant que l’état limite ne soit atteint et que la rupture n’arrive, le laminé va atteindre un niveau de stress tel que la résine va commencer à micro-fracturer aux points faibles, là où les renforts de fibres ne sont pas alignés avec la force appliquée. Ce phénomène est connu sous le nom de ‘micro-fracture transverse’ et bien que le laminé n’ait pas encore été endommagé, le processus de destruction a déjà commencé.

La contrainte qu’un laminé peut encaisser avant micro-fracture dépend fortement des propriétés de la résine. Pour des résines non ductiles, telles que la plupart des Polyesters et Vinylesters, cet état arrive longtemps avant la limite de la résine elle-même, et cela limite donc fortement les contraintes que le laminé peut réellement subir. Dans un environnement humide, le laminé micro-fracturé absorbera beaucoup plus d’eau qu’un laminé non micro-fracturé. Il en résultera une augmentation de poids, une attaque sur les liants entre la résine et la fibre, une perte de résistance et avec le temps, une perte des qualités essentielles du composite.

La capacité exceptionnelle à résister aux charges cycliques est un avantage essentiel des résines Epoxy par rapport aux Polyesters. C’est la raison principale pour laquelle les Epoxy sont utilisé presque exclusivement pour les structures d'aéronefs.

Courbes contrainte / tension
(source: Gurit SP)

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De tous temps, les bateaux ont été construits en bois, car le bois était le matériau le mieux adapté à cette application. Aujourd’hui, le contreplaqué est supérieur au « bois naturel » pour la construction des petits bateaux car il est dimensionnellement stable, facile à mettre en œuvre et peu sensible aux agressions du milieu marin. Il permet de produire des bateaux mécaniquement supérieurs (plus légers à solidité égale) aux bateaux en « plastique », sauf si l’on utilise des matériaux chers et délicats à mettre en œuvre (fibre de carbone ou aramide, par exemple.)Les résines époxy permettent de réaliser des collages très résistants, limitant très largement la nécessité des fixations mécaniques (vis et pointes), et le "glaçage" ou imprégnation à l'époxy, 100% étanche, protège le contreplaqué en créant une barrière contre l’humidité. L’époxy se prête très bien à la stratification de fibre de verre sur le contreplaqué, ce qui permet de "blinder" les surfaces très exposées. Le seul point où les résines époxy sont encore faibles est la protection contre les UV, c’est pourquoi il faut encore ajouter un revêtement de peinture ou de vernis contenant des pigments anti-UV.

On utilise les résines époxy en construction navale depuis le début des années 1970, et on trouve encore (aux Etats-Unis) des coques de cette époque en bon état (au moins en ce qui concerne les collages.)

Le contreplaqué n’est pas une invention récente : les plus anciens exemples nous viennent de l’Egypte ancienne, vers 3500 avant notre ère. On a retrouvé dans des tombes égyptiennes des articles fabriqués de fines planches collés entre elles à 90 degrés. Il semble que cette pratique visait à suppléer au manque de planches de qualité suffisante (déjà !) L’effet recherché était essentiellement visuel : de fines couches de bois de haute qualité étaient collées sur des couches plus épaisses de bois de moindre qualité pour des raisons esthétiques, avec des avantages structurels « incidentaux ». Le contreplaqué moderne, dont les plis sont fait de bois déroulé, est du à l’invention par Immanuel Nobel (1801-1872, et père d’Alfred Nobel, inventeur de la dynamite) de la machine à dérouler les grumes. On a commencé à produire du contreplaqué à grande échelle aux USA au milieu du 19e siècle.

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Hormis les insectes, les 2 ennemis du bois (et du contreplaqué) sont l’eau et le soleil (ça tombe mal… nous on aime bien utiliser un bateau avec ces 2 ingrédients !)

Pourquoi l’eau est-elle l’ennemie du bois ?
Tout d’abord, l’eau cause des expansions et contractions du bois en faisant gonfler les parois des fibres. Quand le bois gonfle, il comprime le calfatage (qui assure l’étanchéité des joints entre bordés), et quand il sèche il se rétracte et laisse des « jours » autour du calfatage, et la coque fuit. Plus grave, cette variation génère des efforts énormes sur la charpente disposée en travers du fil des bordés. Si elle n’a pas assez de « jeu » par rapport au bordé, la charpente finit par céder et la coque perd sa structure.

En second lieu, les champignons responsables de la pourriture du bois ne peuvent se multiplier que si le degré d’humidité du bois dépasse 25-30% (le bois « sec » est autour de 10%, le bois vivant de 50 à 100%) Ces champignons ont aussi besoin de chaleur et de bois « comestible ». En dernier lieu, le bois mouillé perd ses propriétés mécaniques car la lignine perd ses qualités adhésives si elle contient trop d’eau. Pour éviter le retour de l’eau dans le bois de construction navale, on le peint, on le vernit et maintenant on « l’encapsule » dans une résine synthétique étanche, époxy par exemple.

Quant au soleil, le problème vient surtout des UV, comme pour notre peau : les UV attaquent la lignine, la colle qui tients les fibres du bois entre elles. Quand la lignine se dégrade, le bois se décompose peu à peu. Une peinture opaque est donc la meilleure protection du bois, car elle arrête les UV en même temps que la partie visible du rayonnement solaire. Mais il est dommage de cacher le bois sous la peinture, car c'est un matériau si beau ! Heureusement, les vernis actuels contiennent tous des filtres anti-UV, mais leur protection reste moindre que celle d ’une peinture opaque car cette protection est obtenue en intégrant des pigments au vernis. Il doit y avoir suffisamment peu de pigments pour ne pas masquer le bois, mais suffisamment pour arrêter au moins une partie des UV. C'est pourquoi on peut se contenter de 2 à 3 couches de peinture alors qu'on doit passer 4 à 8 couches de vernis pour obtenir la même protection. Les UV attaquent aussi les peintures et vernis qui servent à protéger le bois. On a vu plus haut que l’époxy protège parfaitement le bois de l’humidité, mais elle ne contient pas de protection anti-UV et est elle-même sensible aux UV (elle blanchit progressivement et devient opaque) et il faut donc peindre ou vernir par-dessus l’époxy.)

Dernier point, l’exposition au soleil provoque d’énormes écarts de température, surtout si la peinture est sombre. Le bois est sensible à l’expansion thermique comme tout autre matériau, et ces cycles font « travailler » et usent prématurément votre bateau. Une peinture claire limitera les effets de la température (et en plus c’est souvent plus joli sur une coque à clins.)

En résumé, le contreplaqué est le matériau idéal pour construire des bateaux, le plus léger, le plus rigide et le plus facile à mettre en œuvre et réparer, mais il faut le protéger en entretenant la couche de peinture ou de vernis qui elle-même protège la couche d’époxy qui le renforce et l'isole de l'humidité. Un bateau inutilisé pour une longue durée doit être rentré dans un bâtiment ou à défaut être couvert à l’aide d’un taud ou d’une bâche. Comme tout, votre bateau demande un minimum d'attention pour vous rester longtemps fidèle...

Le tronc d’un arbre est constitué, sous l'écorce et le liber qui la supporte, d’une couche d'aubierqui entoure le duramen, lui-même entourant le coeur. L’aubier est vivant et ses fibres transportent la sève, alors que le duramen est "mort". C’est pourquoi on n’utilise que le bois du duramenpour la construction navale, car outre le fait qu'il est totalement "lignifié", il est beaucoup moins sensible à la pourriture. En effet, les champignons qui provoquent la pourriture du bois se nourrissant aussi de la sève, ils s’attaquent beaucoup moins au bois de cœur.Le saviez-vous : on « récolte » les arbres en hiver car la sève est dormante et donc le contenu de l’aubier en éléments nutritifs est plus bas. Les champignons qui provoquent la pourriture du bois se nourrissant aussi de la sève, ils s’attaquent moins facilement à ce bois « maigre ».

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La structure du bois ressemble à des tas de petits bouts de tuyau (ce sont les fibres du bois dont les parois sont constituées de cellulose et d'hémicellulose) collés entre eux par la lignine. La cellulose et la lignine sont tous les deux des biopolymères. Dans les bois "durs" (chêne, acacia), les fibres font 1mm, alors que dans les autres bois (sapin, peuplier) elles font 3 à 8 mm. Cette structure en tuyaux parallèles est la raison pour laquelle le bois est l’un des matériaux les plus résistants dans le sens de la longueur. Cette résistance est plus de 10 fois plus forte dans le sens de la fibre qu’à travers le fil. Le contreplaqué est fabriqué en collant entre eux des plis de bois « déroulé ». Le sens du fil des plis successifs est disposé à 90 degrés des plis voisins, de façon à profiter au mieux des propriétés mécaniques du bois. Le contreplaqué est collé à une température de plus de 100 degrés C et une pression de 200 bars. Le contreplaqué marine est fabriqué avec du bois tropical imputrescible et collé à l’aide de résines résistant à l’humidité.

Le saviez-vous : la lignine ramollit à partir de 170 degrés C. L’humidité abaisse cette température en-dessous de 100 degrés C, c’est pourquoi on chauffe à la vapeur les pièces de bois à plier : l’exposition prolongée à la vapeur (humide et chaude) rend la lignine malléable et permet aux fibres de glisser les unes par rapport aux autres. En refroidissant, la lignine se re-solidifie et le bois garde sa courbe.

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UTILISATION DE RENFORTS MULTI AXIAUX DANS L'INDUSTRIE MARINE

Résumé - Des renforts multiaxiaux tricotés sont, de nos jours, de plus en plus communément utilisés pour la production de navires. Ceci est dû à une meilleure résistance en comparaison des renforts traditionnels tels que le roving lissé et le mat à fibres courtes. Les propriétés de résistance avec différentes résines sont rapportées et les renforts multiaxiaux et tissés sont comparés. Une attention spéciale est portée au comportement interlaminaire et il est apparent qu'aucune couche intermédiaire de mat à fibres courtes n'est nécessaire lorsque l'on utilise un renfort multiaxial. Les méthodes d'analyse sont considérées et l'influence de l'orientation des fibres sur la résistance et la rigidité des structures est rapportée ; un cas d'étude révèle de considérables économies potentielles de poids et de coût. Mots clés : Tissus cousus, renforts multiaxiaux, matériaux composites.

Le choix le plus délicat dans la conception avec des composites est probablement la sélection du matériau, car il en existe une très grande variété sur le marché. Des critères techniques, de production, d'environnement et économiques doivent être considérés. Dans l'industrie marine traditionnelle, le lourd roving tissé de fibres de verre-E avec des couches intermédiaires de mat à fibres courtes (CSM) sont largement utilisés. Les tissus cousus ont de bien meilleures propriétés que ceux tissés grâce aux paquets de fibres droites, sans l'ondulation du tissage (tableaux 1 et 2). Le tissu cousu est la notation d'un tissu où, les couches parallèles de paquets de fibres ou de roving sont cousues ensemble en une construction à deux ou plusieurs couches, avec des orientations de fibres différentes à chaque couche (figure 1). Par la suite, le renfort MultiAxial cousu sera abbrégé par MA. De façon à utiliser le potentiel du renfort MA, l'utilisateur devrait être averti de quelques facteurs importants. Ces facteurs, avec les aspects techniques et économiques sont mis en valeur. Dans l'industrie marine, les fibres de verre sont, dans la plupart des cas, le meilleur choix des points de vue durée de vie, facilité de mise en oeuvre et coût. Pour cette raison, nous nous sommes, dans la suite, surtout intéressés aux fibres de verre.

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POSSIBILITES DE FABRICATION

La conception de base des tissus cousus fournit beaucoup d'avantages : tout d'abord, les fibres de renfort sont disposées à plat, éliminant ainsi le "crimp" qui existe quand les fibres sont croisées. Ensuite, les fibres peuvent être arrangées suivant une grande variété de configurations, de unidirectionnel à six axes ou plus, dans des directions privilégiées sans en accroître le coût et sans effet contraire sur les caractéristiques de mise en oeuvre. Il y a possibilité de combiner avec du CSM ou des tissus sur chaque face. De plus, la drapabilité peut être ajustée en faisant varier la configuration du tricotage et le choix du fil/roving. En fonction du type d'équipement de fabrication, le tissu peut être fait sur mesure à peu de frais supplémentaires, même en petites quantités. Le MA peut remplacer les tissus dans presque tous les produits. De plus, pour l'empilement manuel et la mise sous vide, les procédés RTM, par injection sous vide et par pultrusion peuvent être utilisés.

QUALITE DU RENFORT

Typiquement, dans l'industrie marine, le verre a été utilisé pour les structures peu sollicitées, et souvent, peu d'attention a été apportée à la qualité du renfort de verre, en comparaison des exigences de qualité demandées aux renforts plus coûteux tels que l'aramide et le carbone, utilisés dans l'aérospatiale et dans les unités spéciales de compétition. Il en résulte que, la résistance et l'expérience tirées des applications peu exigeantes, renforcées par verre sont la base de la méthode d'analyse, des critères de conception et des exigences des autorités. De manière à améliorer la technologie dans le domaine maritime et utiliser le potentiel des composites à renfort de fibres de verre, l'utilisateur et le concepteur doivent porter plus d'attention à la qualité des produits de renfort. Un stratifié composé de fibres de verre-E polycster/vinylester correct peut mieux se comporter, vis-à-vis de la résistance, que des stratifiés aramide/époxy, et même mieux que des stratifiés carbone/époxy. La fibre, l'ensimage, la conformité, la fabrication du renfort et le style du tissu de renfort sont d'une importance majeure de façon à obtenir un renfort de haute qualité convenable pour une utilisation voulue.

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QUALITE DE LA FIBRE

Les différents fabricants de verre ont plus ou moins la même formulation chimique pour leur verre. Les variables les plus prononcées sont le diamètre du filament et le procédé d'assemblage des filaments en fils ou rovings, en faisant attention à la rupture du filament et à la tension uniforme. II existe, à ce niveau, de grandes différences de propriétés entre les différents fournisseurs de verre. Normalement, le consommateur ne connaît jamais l'origine du verre. Dans une même livraison de renfort, il peut arriver que le verre soit d'une qualité très variable. Le consommateur doit garder en mémoire qu'il existe un lot de verre bon marché disponible et que les producteurs de renfort peuvent avoir la tentation de les utiliser. Le consommateur de renfort devrait connaître la conformité du fil/roving livré et aussi réclamer un système d'assurance qualité.

QUALITE DE L'ENSIMAGE

L'ensimage influence les propriétés à court et à long terme et la résistance dans un environnement de dégradation. Les différents fabriquants de fibres ont leur propres formulations pour les différents types de systèmes de résine ; bien sûr, certaines sont meilleures que d'autres. Quelques unes sont vraiment mauvaises. Le nom "silane" renseigne seulement à propos du type, pas de comment ça marche en pratique.

QUALITE DE LA PRODUCTION

Si toutes les matières premières sont comme spécifiées, il y a toujours la possibililc d'obtenir un tissu de renfort d'une qualité non requise. Le MA a beaucoup de paramètres de production en plus du "tex" et du poids surfacique, par exemple le type de fil de tricot, la longueur du cousu, la tension du fil de tricot, la distance entre les aiguilles, le motif de tricot, la vitesse de production (précision), l'empilement des paquets de fibres, le type d'appareillage, la tension de la fibre et la régularité de la tension, la séquence d'orientation de fibres (+ - ou - +). Il existe plusieurs techniques de production et différents principes de production des MA. Jusqu'à présent, l'appareillage de type LIBA s'est révélé être le plus approprié pour la production de renforts.

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PROPRIETES MECANIQUES

De façon à prendre les décisions correctes à l'égard de la sélection du matériau, une gamme complète de propriétés mécaniques devrait être disponible. Dans cette partie, quelques uns des résultats d'un vaste programme d'essais sont présentés. Le but principal de ce programme est d'établir des données de conception fiables, mais en même temps, il révèle l'avantage des MA sur les tissus. On doit insister sur le fait que, les méthodes d'essais des composites ne sont pas convenables pour ces matériaux, et plus particulièrement pour les propriétés de cisaillement dans le plan, pour le cisaillement interlaminaire et pour les essais de choc.

PROPRIETES MECANIQUES TYPIQUES DES STRATIFIES MA.

Grâce aux fibres droites des MA, les concentrations de contraintes rencontrées dans les stratifiés à tissus sont évitées. Dans les références  et  l'efficacité du tissu est fournie pour différents matériaux de fibres. L'efficacité est déterminée en comparant les propriétés de stratifiés avec des tissus cousus et lissés [0/90]. On peut voir que l'effet négatif de la courbure dans les Lissus tissés est important pour les siratifiés avec des fibres de verre ou de carbone, tandis que l'aramidc est moins sensible. Les résistances interlaminaire et à la compression des stratifiés à fibres d'aramide csi, de toute façon, en général trop faible pour des application structurales. Plusieurs styles de renforts MA cousus ont été testés dans trois différents Lhermodurcissables : le NGP/iso-polyesler, vinylcstcr, et l'époxy cuit à basse température. Tous les stratifiés sont empilés à la main dans un environnement de production ordinaire et poslcuils pendant 24 heures à 60°C.  Comme attendu, les propriétés en traction à court terme ne sont pas très sensibles au type de résine, mais l'effet sur la résistance apparente au cisaillement interlaminaire est plus important, l'époxy étant la meilleure. On peut noter le taux élevé de fibres obtenu avec un empilement manuel.

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PROPRIETES INTERLAM1NA1RES

Pour obtenir une résistance au cisaillement interlaminaire (ILSS), les stratifiés constitués d'un roving tissé doivent avoir une couche de CMS entre les couches. Ceci réduit les contraintes résiduelles et de "crimp" dans les zones riches en résine entre les ondulations, mais réduit en même temps les propriétés dans le plan. Avec les MA à fibres plates, les zones riches en résine sont évitées et le CMS entre les couches n'est pas nécessaire. Ceci conduit à un plus important taux de fibres et à de meilleures propriétés ILSS . Le stratifié 1-MA a six couches de DB600 ([+45/-45L 300/300 g/m2) ; le stratifié 2-MA/CSM a six couches de DB600 avec des couches intermédiaires de CMS de 225 g/m2 ; le stratifié 3-MA consiste en six couches de L900 ([0], 900 g/m2) ; le stratifié 4-MA/CSM a cinq couches le L900 avec des couches intermédiaires de CSM de 100 g/m2. Tous les renforts sont placés dans la même résine, une NPG/iso-polyester. Les résistances en traction à travers l'épaisseur (TTTS) sont comparées pour les stratifiés 1-MA et 3-MA. Les rovings utilisés pour les renforts sont, respectivement, du tcx 320 et 3600, et on peut voir que la valeur du TTTS est plus élevée pour le stratifié qui a un nombre tex le plus bas. Ceci est probablement dû à une meilleure répartition des fibres et à moins de concentration de contrainte autour des paquets de fibres. La conclusion est qu'un CSM dans un stratifié MA en réduit les propriétés mécaniques. Cependant, le type de résine, le nombre tex et l'ensimagc des fibres semblent avoir plus d'influence sur les propriétés interlaminaires que les couches intermédiaires de CSM.

PROPRIETES AUX CHOCS

Les propriétés aux chocs ne peuvent pas être étudiées avec une seule méthode d'essai ; les résultats sont très dépendants du type d'impact que le stratifié subit. La vitesse, la masse et la forme de l'impacteur, les dimensions et le support des stratifiés sont également des variables importantes. Des chocs avec des objets lourds et lents donneront des résultats complètement différents de ceux avec des objets rapides et petits. Cependant, des essais standard peuvent donner des indications sur la résilience, et les résistances aux chocs des stratifiés 1-MA et 2-MA/CSM sont indiquées. De nouveau, le stratifié avec des couches intermédiaires de CSM a de moins bonnes propriétés.

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MANIABILITE

Une réduction du temps d'empilement (manuel) entre 30 et 40 % en comparaison du WR est rapportée. Ceci n'est pas seulement dû à la résistance accrue du MA, mais au fait que la résistance multidirectionnelle peut être obtenue avec un seul tissu, c'est-à-dire qu'il n'est plus nécessaire de placer des couches de biais biaxial les unes sur les autres. Une imprégnation rapide a contribué à une meilleure productivité. De plus, des couches superficielles épaisses, utilisées sur le dessus des stratifiés pour éviter les empreintes des tissages ondulés ne sont plus nécessaires avec les MA qui ont une surface lisse. Cependant, ceci dépend du type de machine à tricoter et de la qualité du renfort. Quand les tissés sont découpés suivant des formes, le détissage et l'effilochage posent des problèmes particuliers. Le fil de tricotage d'un MA garde les fibres en place, même quand le tissu est découpé en formes. La drapabilité peut être ajustée afin d'obtenir un tissu assez rigide, facile à manipuler et à appliquer sur des surfaces planes relativement grandes, sans le froisser. Des tissus plus souples sont utilisés pour les formes complexes.

CONCEPTION AVEC UN MA

Le problème pour effectuer une analyse de résistance convenable commence d'abord par le choix des critères de résistance. La conception finale dépend des critères choisis par le concepteur. Les deux critères de conception, rupture du premier pli (FPF) et rupture du dernier pli (LPF), en combinaison avec d'autres facteurs de sécurité, conduisent souvent à des choix très différents de matériau et d'orientation de fibres. Le concepteur doit choisir des méthodes d'analyse qui reflètent un comportement réel. 11 existe des modèles mathématiques simples qui sont développés pour des calculs à la main ou par ordinateur. De telles méthodes présentées en règles de classification (par exemple DnV [3]) ne sont pas valables pour les stratifiés et l'âme quand les stratifiés ont plus de deux directions de fibres ou si l'axe du matériau n'est pas parallèle aux bords du panneau. Ce type de calcul de contrainte avec un critère de contrainte maximale de rupture, combiné avec des facteurs de sécurité, conduit à un niveau de sécurité inconnu. Pour prédire la rupture, il est essentiel d'utiliser un critère de résistance adéquat qui prend en compte le comportement anisotrope des stratifiés. Le plus commun est probablement le critère de Tsai-Wu . Il a été adopté par DnV dans la réglementation de 1991, en plus du critère traditionnel de contrainte maximale. Il est supposé que les résultats prédits par une analyse par éléments finis (FEA), basée sur un modèle élémentaire acceptable, la théorie de plaque stratifiée et des critères de rupture bien documentés, seront les plus fiables.

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INFLUENCE DE L'ORIENTATION DES FIBRES

Il est de plus en plus commun d'utiliser des renforts bi-, tri- et quadriaxiaux de façon à tirer avantage des fibres composites en plaçant la résistance où elle est nécessaire. La modification de l'orientation des fibres pour un panneau sandwich avec différents rapports d'aspect (a/b). Le panneau est soumis à une pression latérale uniforme. Les résultats incluent la déflexion maximale, les résistances FPF et LPF, avec des bords simplement supportés ou fixés. Dans tous les cas, l'âme et la quantité totale de verre-E sont égales. Si la résistance est un facteur limitant, le cas le plus extrême décrit implique une réduction de poids du stratifié d'environ 77 % en changeant de [0/90] à [+45/902/- 45]. Ces gains sont du même ordre de grandeur que ceux obtenus en passant du verre [0/90] au carbone [0/901 ! Dans les cas où la vibration est un problème, les résultats de déflexion pour un cas simplement supporté peut agir comme un guide. Le stratifié optimal est dépendant du choix du critère de conception. Une analyse similaire avec d'autres matériaux de fibre donnera habituellement un classement différent. Evidemment, l'orientation de fibre optimale doit être basée sur toutes les conditions de charge actuelles ; par exemple, les zones où les chocs sont une condition limite, trois directions ou plus de plusieurs couches fines seront préférables. Quelques configurations sont plus sensibles aux conditions limites que les autres. On doit garder ça à l'esprit quand le degré de restriction aux limites est difficile à définir. Dans la pratique, le nombre d'orientations devrait être limité. Dans la production, un maximum de quatre direction est préférable. Il est alors possible de réduire le nombre de variantes de renforts dans l'atelier, et un nombre limité réduira la complexité et le risque d'introduire des erreurs.

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CONSIDERATIONS LOCALES, GLOBALES ET PRATIQUES

Un navire est une structure complexe où les panneaux, les raidisseurs, le fond, les côtés et les ponts sont soumis à des situations de charge complexes. Par exemple, les panneaux de coque subissent principalement les charges latérales locales, c'est-à-dire les forces de pression d'eau et de "slamming". En même temps, ils doivent agir comme des brides pour les raidisseurs, mais aussi comme bride ou raidisseur pour la poutre de coque. La poutre de coque est soumise à la flexion, au cisaillement et à la torsion. De ce fait, le choix du matériau pour un monopanneau influencera la capacité et la rigidité du système de poutrelles et de la poutre de coque entière. En effectuant une sélection correcte de l'orientation des fibres et l'espacement des raidisseurs transversaux et longitudinaux, une structure proche de l'optimale, par rapport au poids et au coût, peut être obtenue. Un stratifié [± 45], alterné avec quelques fibres dans la troisième direction, est le meilleur choix pour des plaques chargées latéralement avec un rapport d'aspect inférieur à 1,5 et en même temps le meilleur par rapport à la rigidité en flexion et la résistance de la poutre de coque. Mais, normalement, on ne peut pas tout avoir ; les panneaux de fond soumis par exemple au "slamming", devraient, de préférence être allongés dans la direction longitudinale de façon à réduire la charge de "slamming" totale du panneau. Pour des navires de grande taille, la séquence d'empilement optimale de tels panneaux peut être en conflit avec les exigences de résistance à la flexion longitudinale et à la rigidité de la poutre de coque.  La rigidité en torsion, pour ce navire particulier, est importante et est augmentée de 40 % en utilisant le MA, tandis que la rigidité longitudinale en flexion/cisaillement est la même. Dans les deux cas, la même quantité de verre est utilisée. Pour les poutres, poutrelles et cloisons, la sélection du matériau est plus simple ; [± 45] pour les cloisons et les raidisseurs, unidirectionnel et quelques [± 45] pour les brides, est normalement optimal.

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CONCLUSION

Pour le consommateur de renfort, il est très important que la qualité de celui-ci soit en accord avec les exigences. La façon la plus facile de s'en assurer et d'exiger un système d'assurance qualité (ISO 9000) provenant du fabriquant de verre pour la livraison du tissu de renfort. Les MA ont beaucoup d'avantages sur les traditionnels roving tissé/CSM : réduction de la consommation de résine, réduction du travail d'empilement, propriétés spécifiques supérieures et meilleure finition. Le fabriquant de renfort peut facilement adapter les propriétés aux besoins des consommateurs et, si elle est conçue correctement, une construction utilisant tous les avantages inhérents aux MA a un potentiel considérable de gain de poids et de coût. Ceci a été démontré pour un grand nombre de constructions. Les choix des critères de rupture et de conception influencera les résultats, et donc, la conception optimale en sera dépendante. La théorie simplifiée de plaque isotrope n'est pas adaptée à la prédiction du comportement des composites anisotropes. La FEA est la meilleure alternative, et il n'existe pas de raccourci. L'utilisation des MA exige normalement un système plus étendu pour le QA/QC à l'atelier.

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