Brevet FR2514695A1 — publié le 19830422

i Dans la co;strÀcti Jn de p:ecas coplaxes et: matériaux composites fibres-résine, oi sssemble ie S différents éléments individuels qui les composent par exemple par collage, ces éléments ayant pu à cet effet préalabiemnent subir une pré-polymérisation partielle de leur résine. On assemble également, quand ils sort encore humides, c'est-à dire imprégnés de résine non polymérisée, des fils, rubans ou tissus, puis on polymérise le tout. Ce dernier procédé, favorable à des liaisons de bonne qualité, conduit, pour des pièces importantes, par exemple de grande longueur et/ou de frte épaisseur, à des manipulations nombreuses et délicates telles qu'en exige la mise en place d'un grand nombre de longs rubans de strati- fils dont les faces sont poisseuses et collantes Ces manipulations conduisent à de très longs temps de travail et à des investissements élevés en machines de distribution de stratifils et en machines de drapage (ces dernières réali- sant des empilages de nappes textiles) qui ne sont en général conçues que pour un seul type d'opération, parfois pour plusieurs types, auquel cas il s'agit de machines universelles complexes et comteuses. Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention a pour but de créer un demi-produit industriel permettant de faciliter l'élaboration de pièces en matériaux composites, ce demi-produit se présentant sous la forme de panneaux ou de bandes qui offrent une masse linéique ou surfacique beaucoup plus importante que les rubans de stratifils usuels, et dont la fabrication peut ltre erière- ment mécanisée. _Do O L'invention a donc pour objet un demi-produit à base de fibres préimprégnées de résine polymérisable, destiné à la fabrication de pièces en matériaux composites de formes diverses et caractérisé par le fait qu'il est constitué par au moins une couche formée d'une nappe de base plane de tissu préimprégné et d'une nappe de rubans de stratifils préimprégnés disposés en rangées juxtaposées sur ledit tissu suivant une même direction longitudinale Les rubans de stratifils procurent au demiproduit une grande résistance l:ki i::le, ça: is 4 e _ t s: er assure la tenue tra, s,;vrsale ?Ua,: rr S&e,eu;, mpire -dre plusieurs -i Afin dn orer ila tenue transversale du demi- rod uit a ia njpoe de rubans de strat Lf 'is precitee ?e t tre associée une a -:apoe de tissu préimorégné offrent un configuration dul e passan: aite snativemert dessus et c Essous les r ies uît-aposées de ladite nappe de rubans. Ladite nappe de rubans de stratifils peut aussi être recouverte d'une nappe plane de tissu préimprériné sur la face opposée la nappe de base, ce qui augmente La rigidité du demi-produit. Lors Qu'on désire réaliser une pièce d'épaisseur relativement grande, on peut faire appel à un demi-produit constitué de plusieurs couches superposées offranit chacune une structure conforme à l'une de celles que l'on vient de spécifier En particulier, l'empilage ordonné de couches eomprenant un tissu de configuration ondulée peut avantageu- sement conduire à une structure alvéolaire Plus généralement, l'orientation des rubans de stratifils des diverses nappes peut être soiidentique, soit différente (par exemple suivant des directions croisées à 45 ou à 90 ) La mise en place précise de ces constituants peut être réalisée mécaniquement par des procédés connus, par exemple au moyen de batteries de dévidoirs et de rouleaux presseurs. La résine que contient un demi-produit selon l'invention peut être non polymérisée ou seulement partiel- iement polymérisée Dans ce cas, le demi-produit est soumis, après moulage, à un traitement de îiymérisation aboutissant à _ O la pièLce acne-vée Enr vue de son stockage, ii convient alors de la flanquer de feuilles protectrices détadhables revêtant ses deux faces, car la résine non polymérisée le rend poisseux. La résine d'imprégnation du demi-produit peut aussi être complè,emnent polymérisée Il se présente alors sous la forme d'uin élément de construction rigide, par exemple d'un panneau plan utilisable à la manière d'une trle. Les fibres composant les rubans de stratifils et le ou les tissus qu'incorpore le demi-produit sont de préférence des fibres minérales telles que des fibres de verre, de carbone, de bore ou de polyamide aromatique "Kevlar" Les fibres composées des trois dernières substances, beaucoup plus onéreuses que les fibres de verre, permettent par contre d'obtenir des rapports caractéristiques mécaniques/masse plus favorables L'usage du demi-produit selon l'invention, qui est en résumé constitué par un pré-assemblage de rubans de stratifils et d'au moins un tissu de base avec résine dimprégnation, permet de supprimer les opérations longues et difficiles nécessaires jusqu'ici pour la mise en place de nombreux éléments préimprégnés individuels Ce demi- produit offre une manipulation aisée Son prix de revient ne dépasse guère le prix de ses éléments constitutifs Il peut etre utilisé soit seul, soit en combinaison avec une matière massive de remplissage (structure en sandwich) Il permet de réaliser aisément, avec un notable gain de temps et d'argent, les pièces les plus diverses devant présenter de hautes qualités mécaniques et éventuellement de grandes dimensions. Dans le domaine aéronautique, de nombreuses structures, telles que des revêtements, longerons, lisses, planchers, des moyeux et des les d'hélicoptères, peuvent être réalisées à partir du demi-produit selon l'invention, ainsi que des pales d'éoliennes et, dans la construction navale, des éléments tels que "fols", dérives, gouvernails, mâts, lisses, flotteurs, coques et renforcement de coques, D O bras de trimarans Dans le domaine de la construction mécanique et du bâtiment, le demi-produit permet de fabriquer des poutres diverses, des profilés pour charpente, des barrières de sécurité, des toitures, des tubes d'échafau- dages ou des éléments de pont, ainsi que, dans le domaine de la construction automobile, des structures et planchers pour camions, des châssis et des suspensions. Les caractéristiques du demi-produit selon l'invention, la facilité de son utilisation et la possi Udlité de le réaliser économiquement (W partir de verre E ou R par exemple) laissent entrevoir de vastes domaines d'application. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. Les figures 1 à 3 représentent en section trans- versale trois formes d'exécution d'un demi-produit selon l'invention. La figure 4 représente la tranche d'un panneau sandwich incorporant des feuilles de demi-produit conformes à la figure 2. Un demi-produit selon l'invention comprend, dans sa forme la plus simple (figure 1), une nappe de tissu de base 1 et des rangées 2 de rubans de stratifils 3 juxtaposées sur le tissu 1 et orientées suivant une même direction longitudinale Dans le présent exemple, chaque rangée 2 est composée de deux rubans 3 superposés. La figure 2 montre une variante qui incorpore une autre nappe de tissu 4 Celle -ci n'est pas plane, mais ondule en passant alternativement pardessous et par-dessus les rangées 2 de rubans _ Elle n'empêche pas le demi-produit de pouvoir être courbé ou plié sans difficulté dans la direc- tion longitudinale Une troisième nappe de tissu 5 peut être en outre prévue, comme on l'a représenté dans la partie de droite de la figure 2, pour recouvrir l'ensemble des rangées 2 de rubans _ en donnant au demiproduit une structure symétrique Une telle nappe 5, qui est plane comme la nappe de base 1 et de nature identique ou non à cette dernière, _o peut aussi être prévue dans le cas de la forme d'exécution de la figure 1 Toutefois, elle augmente la rigidité du demi-produit, de sorte que la structure dissymétrique (sans nappe 5) est préférable lorsqu'on désire enrouler le demi- produit sur lui-même en vue de son stockage. -Un demi-produit conforme à la figure 1 ou 2 peut en pratique se présenter sous la forme de panneaux ou de bandes ayant par exemple une épaisseur de 2 à 2,_ mm suivant le taux d'imprégnation de résine, une largeur de cm, une longueur théoriquement non limitée et une masse au mètre carré de 4 kg, soit une masse linéique de I kg/m, à comparer avec les faibles valeurs des caractéristiques correspondantes des éléments constitutifs (masse linéique des rubans de stratifils: quelques dizaines de g/m; masse surfacique des tissus: quelques centaines de g/mr 2). Le taux d'imprégnation en résine des stratifils et des tissus, de même que la qualité de ladite résine sont choisis en fonction des caractéristiques finales demandées au demi-produit En utilisant par exemple des résines du type époxy couramment employées dans le construction de pièces aéronautiques fortement sollicitées, l'imprégnation est effectuée à un taux d'environ 20 % de résine en masse Le demi-produit présente alors, après polymérisation, une très bonne résistance à la tractionmais il ne se conserve pas à la température ambiante et doit être stocké en chambre froide. Pour éviter cet inconvénient,on réalise l'impré- gnation avec une résine latente En raison de ses caracté- ristiques propres, le taux d'imprégnation est plus important, de l'ordre de 30 % en masse Le demi-produit ainsi obtenu peut se conserver pusieurs mois à température ambiante, mais la résistance mécanique des pièces réalisées n'est pas aussi élevée. Sur la figure 3 a été représenté un demi-produit de structure plus complexe; il est formé de la superposition de plusieurs couches 6 dont chacune correspond à J forme d'exécution de la figure 2 Quatre couches 6 sont ici empilées; elles sont agencées de manière que leur rangées 2 coïncident et que les nappes ondulées de tissu 4 forment des canaux de section hexagonale comme on le voit sur la figure, ce qui conduit à une structure dont la section rappelle un nid d'abeilles On notera que la nappe de tissu 1 centrale correspond à elle seule Eîux nappes de base des deux couches 6 adjacentes En variante, dans une telle structure, on peut omettre toute nappe de tissu plane intermédiaire. Les fibres des nappes de tissu 1, 4 et des rubans de stratifils 3 sont des fibres minérales, par exemple des fi Lres de -*ere, de carbone, de tore ou de Kevlar Elles sonr p mpregr:ées de résine polymérisable Dans l'état du deoi-fr,3 dut:rozre l'uilisaticn; 2 ette résine peut être soit -ion polymérisée ou partiellement polymérisée, soit cmpiteme: pol jmérisée Dans le premier cas, le demi- ur-duit se n-ésene conme une feuille flexible et malléable, qui peu t tre pliée et enroulée et dont les faces quelque oeu poisseuses doivenrt être revêtues de feuilles de pro- te ti on 7, par exemple en plyéthylène, qui sont retirées au moment de la mise en oeuvre du demi-produit Dans le second cas, le demi-produit se présente comme une feuille rigide, comparable à une tale et non susceptible d'enrou- ie T nt Plus précisément, le demi-produit est alors commer- cialisable sous la forme de t 8 ies planes ou ondulées, de tubes ou de profilés semblables aux demi-produits utilisés couramment en construction métallique, ou sous forme de feuilles de revêtement dans des panneaux de structure en sandwich. On a représenté sur la figure 4 un exemple de panneau sandwich, comprenant deux feuilles de revêtement 8 constituées par un demi-produit du type de la figure 2 (le type de la figure 1 conviendrait aussi) doté d'une nappe complémentaire, et un remplissage 9 constitué par exemple d'une mousse rigide de matière plastique Une telle struc- ture peut être renforcée sur chacune de ses faces par une nappe de tissu complémentaire qui lui confère une bonne rigidité Une telle nappe de renforcement est par exemple constituée par un tissu de fibres de carbone orientée à + 45 par rapport à la direction des rubans de stratifils. On a pu constater qu'une bande de 30 mm de large tirée d'une feuille de demi-produit conforme à la figure 2 (avec une épaisseur égale à 2 mm), tractionnée directement entre mors d'une machine se rompt à 7100 da N Ceci corres- pond à une contrainte moyenne de 120 hb environ et à une contrainte dans les stratifils de l'ordre de 150 hb La masse spécifique d'un tel produit est de l'ordre de 2 t/m 3 Une autre bande tirée dans le sens transversal se rompt pour une contrainte moyenne de l'ordre de 10 hb. 255 1 4 6 9 5 7, Une structure réalisée par superposition de plusieurs couches (figure _ 5) peut si'opposer à léclatement des fibres lors d'essais d'introduction de charge par un alésage et un axe traversant; elle apporte des propriétés de tenue au délaminage et à la propagation d'une déchirure. L'orientation des fibres de chaque tissu que comporte le demi- produit par rapport aux fibres des autres nappes est quelconque Elle est choisie pour donner le résul- tat optimal dans chaque cas particulier. REVENDICATIONS 1. Demi-produit à base de fibres préimprégnées de résine polymérisable, destiné à la fabrication de pièces en matériaux composites de formes diverses, caractérisé Dar le fait qu'il est constitué par au moins une couche de base formée d'une nappe/plane ( 1) de tissu préimprégné et d'une nappe de rubans de stratifils ( 3) préimprégnés disposés en rangées ( 2) juxtaposées sur ledit tissu ( 1) suivant une m 9 me direction longitudinale. 2 Demi-produit selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que chaque rangée ( 2) comprend plusieurs rubans de stratifils ( 3) superposes. 3. Demi-produit selon la revendication -1 ou 2, caractérisé par le fait qu'à la nappe de rubans de stratifils ( 3) précitée est associée une autre nappe ( 4) de tissu préimprégné offrant une configuration ondulée et passant alternativement dessus et dessous les rangées ( 2) juxtaposées de ladite nappe de rubans. 4. Demi-produit selon l'une quelconque des reven- dicat Lons 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite nappe de rubans de stratifils ( 3) est recouverte d'une nappe plane ( 5) de tissu préimprégné sur la face opposée à la nappe de base ( 1). 5. Demi-produit caractérisé par le fait qu'il est constitué de plusieurs couches ( 6) superposées offrant chacune une structure conforme à l'une quelconque des reven- dications i à 4. 6. Demi-produit selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé par le fait que la résine qu'il contient est non polymérisée ou partiellement polymérisée. 7. Demi-produit selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est flanqué de feuilles protectrices ( 7) détaehables revêtant ses deux faces. 8. Demi-produit selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé par le fait que la résine qu'il contient est complètement polymérisée. 9. Demi-produit selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé par le fait que les fibres composant les rubans de stratifils ( 3) et le ou les tissus ( 1,4,5)qu'il incorpore sont des fibres minérales telles que des fibres de verre, de carbone, de bore ou de polyamide aromatique "Kevlar".