La construction composite – 5/11

Le mois dernier, nous avons appris à construire des pièces planes et courbes à partir de moules. Cette fois, voyons ce qu’il faut pour construire un réservoir de carburant en fibre de carbone. Dans ce cas, il s’agit d’un réservoir de 325 gallons. Six livres par gallon (OK, 5,85) multipliés par 325 gallons… c’est plus lourd que les 1320 lb autorisées, pour un aéronef léger de sport entier !

Bien que cela semble être un véritable projet « hors norme », il faut considérer que les techniques de construction sont les mêmes que pour un réservoir de 32 gallons. Une fois que l’on connaît les bases, il s’agit fréquemment simplement d’une question de mise à l’échelle vers le haut ou vers le bas des projets qui paraissent intimidants.

Tout d’abord, les matériaux ici coûtaient environ 3500 $ pour plusieurs feuilles de fibre de carbone deux plis par face avec une âme en nid d’abeille de 3/8″, parfois appelée two-core-two (deux-coeur-deux), ce qui signifie deux plis de matériau puis l’âme puis encore deux plis. N’êtes-vous pas content que j’aie dit que cela pouvait être mis à l’échelle vers le bas ? Cela me rappelle un peu le gars qui disait : « J’ai un budget illimité et je l’ai déjà dépassé. » L’avantage pour nous est qu’il est beaucoup plus facile de voir ce qui se passe dans un projet de cette taille.

La première étape est, bien sûr, de disposer d’un ensemble de dessins qui peuvent être transférés sur la fibre de carbone à l’aide d’un compas, d’une règle, de crayons ordinaires et de beaucoup de ruban de masquage bleu. N’utilisez pas de crayon gras ; il contaminerait la surface pour le collage ultérieur. S’il s’agit d’un projet important (lire « coûteux »), une maquette réalisée avec des matériaux moins chers et plus faciles à manipuler est une bonne idée.

LA VALEUR DE LA FIBRE DE CARBONE

Vous vous souvenez que dans un numéro précédent, nous avons parlé de prendre une pile de quatre planches de 1″ d’épaisseur et de se tenir debout dessus. Elles se pliaient assez facilement jusqu’à ce que nous enfoncions quelques clous à travers elles, et alors elles ne fléchissaient plus autant. Ces clous forçaient la planche inférieure à prendre un rayon de courbure beaucoup plus important et, par conséquent, plaçaient presque toute la charge de traction sur cette planche. Inversement, la planche supérieure était en compression.

En réfléchissant à cet empilement, vous réaliserez que la deuxième planche était moins comprimée que la planche supérieure, et que la troisième planche était moins en tension que la planche inférieure. Imaginez maintenant que vous retiriez ces deux planches du milieu de l’empilement tout en conservant l’écartement entre la planche supérieure et la planche inférieure. Vous auriez toujours la planche supérieure en compression et la planche inférieure supportant toute la charge de traction.

C’est exactement ce que fait le nid d’abeilles en fibre de carbone. Le papier entre les deux maintient la séparation entre le dessus et le dessous, de sorte que le dessous reprend toute la charge de traction. C’est entièrement réversible, bien sûr. Le dessus et le dessous ne sont que des identifiants des couches ; si l’on fléchit la fibre de carbone dans l’autre sens, cela fonctionne de la même manière. À partir de cet exemple seulement, on peut voir pourquoi toutes les structures composites modernes sont construites ainsi, en utilisant une forme de noyau pour séparer les couches porteuses en fibre de verre ou en fibre de carbone. Non seulement c’est une manière solide de construire, mais cela peut être étonnamment léger.

DÉCOUPE

Nous avons maintenant le gabarit tracé, mais comment découper ce matériau ? Le noyau n’est que du papier, donc tout outil qui coupe la fibre de carbone va traverser le noyau comme s’il s’agissait, eh bien… de papier. Une lame dentée peut le faire, mais une lame à bord abrasif le fait mieux, surtout si la pièce est trop grande pour aller sur la scie à ruban.

Le ponçage des bords est également un peu différent. Les ponceuses orbitales ou à mouvement alternatif ont tendance à soulever la fibre de carbone du papier et à effilocher les bords. Une ponceuse à bande de petite taille convient, mais il faut la positionner de manière à ne pas soulever la fibre de carbone.

Lorsqu’il s’agit d’obtenir un ajustement serré, pensez à un sac plastique ; il peut être difficile à déchirer jusqu’à ce que vous créiez une petite entaille. Cette entaille est connue sous le nom de concentrateur de contraintes et sert à diriger toute la force vers une petite zone, rendant la déchirure assez facile. C’est pourquoi vos dents, bien qu’elles ne coupent pas le matériau, sont plus efficaces que vos doigts souples et arrondis pour déchirer un sachet de chips.

Il semble assez évident que pour éliminer les concentrateurs de contraintes, nous devons répartir la charge. Dans ce cas, cela signifie faire en sorte que la résine époxy-flox adhère des deux côtés de la plus grande surface possible. Pour ce faire, il suffit d’écraser le noyau en papier d’environ 3/8″, en exposant les faces internes des deux feuilles de fibre de carbone. Cette opération surprend la première fois qu’on la voit, simplement parce que frapper la fibre de carbone avec un marteau paraît peu technologique. Comme je l’ai dit, il ne faut pas être intimidé par la technologie ; une partie peut relever de la science des fusées, mais pas celle dont nous nous occupons ici.

Une fois les faces internes de la fibre de carbone exposées, il faut ajouter l’époxy-flox, mais pour garantir l’adhérence il est préférable d’enduire les surfaces d’époxy pur. Cette procédure est appelée « mouillage » et consiste simplement à verser l’époxy dans la rainure. Là encore, cela sert à éviter les concentrateurs de contraintes sous forme de vides entre la fibre de carbone et l’époxy-flox.

Pour rappel, le flox est une fibre de coton courte et est assez résistant lorsqu’il est mélangé à l’époxy. Le micro, en revanche, est constitué de microbilles de verre qui ne sont pas aussi résistantes. Elles sont très utiles lorsqu’un matériau léger est nécessaire comme remplissage dans un coin ou un vide.