L'influence du forage séquentiel et des paramètres d'usinage sur la formation de fibres non coupées et les dommages par délaminage dans les composites renforcés de fibres

Pourquoi de petits trous importent dans de grandes structures

Les avions modernes, les voitures et les éoliennes reposent sur des plastiques renforcés de fibres — des matériaux légers composés de fibres de verre ou de carbone liées entre elles par une résine. Ces matériaux sont résistants, mais ils sont également fragiles quand il s'agit de réaliser des trous pour vis et assemblages. Une simple opération de perçage peut déchirer les couches ou laisser des brins de fibre pendants à l'intérieur du trou, affaiblissant discrètement une pièce critique. Cette étude explore comment percer des trous plus propres et plus résistants dans des plaques en fibre de verre en choisissant soigneusement le diamètre du foret, la séquence de perçage et les réglages de la machine.

Couches, fibres et dégâts indésirables

Les composites renforcés de fibres sont construits comme une pile de fines toiles imbibées de colle. Lorsqu'un foret en rotation traverse cette pile, il peut écarter les couches, un problème appelé délaminage, et il peut aussi laisser des faisceaux de fibres non coupées à l'intérieur du trou. Les deux types de dommages réduisent la capacité d'une pièce à supporter des charges avant rupture. Les auteurs se sont concentrés sur un stratifié courant en fibre de verre composé de sept couches tissées de fibres de verre liées par de l'époxy. Ils ont fabriqué de grandes plaques planes, les ont découpées en bandes d'essai, puis ont foré des trous dans de nombreuses conditions différentes, reproduisant les procédés de fabrication industriels.

Essayer une approche de perçage progressive

La première question était de savoir si le perçage « séquentiel » — utilisant une série de mèches petites, puis moyennes, puis de taille finale — pouvait réduire les dommages par rapport à un perçage à taille finale en une seule passe. À l'aide d'une fraiseuse à commande numérique, l'équipe a percé des trous de 7 et 10,1 millimètres de diamètre avec une, deux ou trois mèches en séquence, en maintenant la vitesse d'avance et la vitesse de rotation constantes. Ils ont ensuite photographié l'avant et l'arrière de chaque trou et utilisé un logiciel d'analyse d'images pour mesurer la surface environnante ayant été décollée ainsi que la proportion de la paroi du trou couverte de fibres non coupées.

Comment la vitesse et la poussée modifient la qualité d'un trou

Ensuite, les chercheurs ont varié les principaux réglages de la machine : la vitesse d'avance (la rapidité avec laquelle le foret est poussé dans le matériau) et la vitesse de broche (la vitesse de rotation). Ils ont testé trois niveaux d'avance, du très lent au relativement rapide, et trois vitesses de rotation, du bas au élevé, pour les deux diamètres de trou. Pour chaque combinaison, ils ont à nouveau mesuré le délaminage et les fibres non coupées à l'entrée et à la sortie du trou. Ils ont aussi réalisé des essais de flexion trois points — en supportant chaque bande à ses extrémités et en exerçant une pression au milieu — pour déterminer la force que pouvaient supporter les pièces percées avant rupture, et comment cela se rapportait aux dommages autour du trou.

Ce que les images et les essais de flexion ont révélé

Les mesures visuelles ont montré un schéma net. Le perçage en étapes avec plusieurs mèches de tailles croissantes réduit le délaminage à la fois sur la face avant et la face arrière de la plaque. Cependant, cette stratégie tend à augmenter la quantité de fibres non coupées à l'entrée, où le retrait répété de l'outil semble tirer les fibres vers le haut et les laisser sans soutien. Du côté de la sortie, la même approche progressive aide à éliminer les fibres plus complètement et réduit les dommages dus aux fibres non coupées. Par ailleurs, des vitesses d'avance plus élevées — pousser le foret plus rapidement — ont systématiquement aggravé à la fois le délaminage et la présence de fibres non coupées, tandis que des vitesses de broche plus élevées — faire tourner le foret plus vite — ont réduit ces deux types de dommages. Quand l'équipe a comparé ces mesures aux essais de flexion, les échantillons présentant moins de dommages autour des trous supportaient des charges plus élevées, avec une augmentation de la force de rupture allant jusqu'à environ 18 % dans de meilleures conditions de perçage.

Leçons pratiques pour des pièces plus sûres et plus légères

En termes concrets, l'étude montre que la manière de percer un trou dans une pièce en fibre de verre influence fortement sa résistance. L'utilisation de plusieurs diamètres de forets en séquence peut protéger la structure stratifiée contre le décollement, en particulier sur la face arrière, bien que cela puisse laisser davantage de fibres libres sur la face d'entrée. Pousser trop fort (avance élevée) est nuisible, tandis qu'une rotation plus rapide a tendance à être plus douce pour le matériau. En combinant une stratégie de perçage progressive avec des vitesses d'avance modérées et des vitesses de rotation plus élevées, les fabricants peuvent obtenir des trous plus propres qui préservent davantage la résistance du composite — un gain important pour l'aéronautique, l'automobile et autres structures où chaque gramme et chaque marge de sécurité comptent.

Citation: Izadi, S.M.H., Mozaffari, A. The influence of sequential drilling and machining parameters on uncut fiber formation and delamination damage in fiber-reinforced composites. Sci Rep 16, 10132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40786-y

Mots-clés: perçage de composites, stratifiés en fibre de verre, dommages par délaminage, paramètres d'usinage, fibres non coupées