Brevet FR2530538A1 — publié le 19840127

'0538 La présente invention a trait à un procédé de fabrication d'articles en matériaux composites et en parti- culier des matériaux qui comportent des fibres de renfor- cement noyées dans une matrice-en résine. Un procédé usuel de fabrication d'articles en matériaux composites consiste à appliquer un certain nom- bre de feuilles de résine non vulcanisée prégnées de fibres et appelées pré-imprégnés sur une forme appropriée et de les soumettre ensuite à la chaleur et à là pression afin d'unir ou agglomérer les feuilles, de les mouler à la configuration du moule et ensuite de gélifier la résine La résine est alors finalement vulca- nisée par un autre traitement thermique afin de fixer la configuration conférée à l'article moulé. Une façon de mettre en-oeuvre ce procédé consiste à utiliser un autoclave Un autoclave permet dé soumettre les pré-imprégnés superposés à des températures et pres- sions élevées de sorte qu'ils s'unissent facilement pour former l'article moulé Cela présente l'intérêt de pouvoir fournir une pression suffisante à la masse de résine pour que la pression hydraulique dans la masse provoque une réduction sensible de la dimension des bulles de gaz ou de vapeur renfermées ou les force complètement dans la solution en fonction de l'importance de la pression appli- quée (conformément à la loi de Henry) Si la pression est maintenue pendant la gélification de la résine et sa cuis- son ultérieure, on obtient une matrice de résine exempte de vide. Bien que le moulage en autoclave soit attractif en vue de la possibilité de fournir un article en matériau composite exempt de vide, il est néanmoins coûteux à mettre en oeuvre du fait de la dépense élevée en capital de l'équipement nécessaire. Une alternative économique au moulage en auto- clave est le moulage en sac sous vide dans lequel les pré- imprégnés superposés sont placés sur une forme et ensuite -2- enfermés sous une membrane imperméable On aspire l'air' du volume enclos par la membrane et l'ensemble est chauffé suivant un programme de température croissante La pres- sion atmosphérique fournit la force nécessaire pour unir les préimprégnés qui forment l'article moulé et le program- me de température croissante assure initialement que la résine non vulcanisée est suffisamment mobile pour per- mettre l'établissement d'une consolidation maximum et conduire ensuite à la gélification et à la cuisson de la résine. Alors que le moulage sous vide est beaucoup moins cher à mettre en oeuvre que le moulage en autoclave, l'article moulé obtenu est habituellement de qualité infé- rieure du fait de la présence de vides dans la matrice de résine D'une manière typique, le niveau de vides mini- mum d'un matériau composite renforcé de fibres moulées sous vide est de l'ordre de 4 à 6 % en volume. C'est un objet de la présente invention de four- nir un procédé de fabrication de matériaux composites renforcés de fibres dans lesquels le niveau de vides dans l'article fini est inférieur à ce qui est obtenu par les techniques de moulage sous vide classiques, ou est com- plètement éliminé. Conformément à la présente invention, un procédé de moulage sous vide d'un article en matériau composite renforcé de fibres comprend les étapes d'appliquer sur une forme appropriée plusieurs pré-imprégnés comprenant chacun des fibres de renforcement et une résine non vulcanisée, recouvrir au moins une majeure partie de la surface exposée des pré-imprégnés appliqués avec au moins une feuille d'un film microporeux qui est perméable aux gaz et aux vapeurs, mais imperméable à la résine liquide, recouvrir au moins une majeure partie de ladite feuille de film microporeux avec un matériau respirant, enclore les pré- imprégnés superposés, la feuille de film microporeux et le matériau respirant sous une membrane imperméable aux gaz, -3- aspirer l'air du volume enclos par ladite membrane, chauf- fer les pré-imprégnés à une température qui est suffisante pour provoquer dans la résine desdits pré-imprégnés le dégazage et rendre la résine suffisamment mobile pour per- mettre la fusion-et le-moulage des pré-imprégnés, puis la gélification de la résine, mais assez basse pour que le dégazage soit sensiblement complet avant le début de la gélification, pendant un temps suffisant pour que le dégazage, le moulage et la gélification se produisent et ensuite la cuisson de ladite résine. L'invention va maintenant être décrite plus en détails, à titre d'exemple, en se référant au dessin ci- joint qui est une vue en coupe schématique sous forme partiellement explosée d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. En se référant au dessin, une forme 10 à faible expansion est disposée à la surface d'une plaque chauffan- te 11 Trois pré-imprégnés 12 sont ensuite appliqués sur forme 10 On appréciera que le nombre de pré-imprégnés utilisés pourra être inférieur ou supérieur, en fonction des caractéristiques désirées de l'article moulé à fabri- quer Chaque pré-imprégné 12 est constitué de cinq tissus de fibres de carbone tissés, avec un polisatiné, impré- gnés d'une résine époxy non cuite (non vulcanisée) On appréciera toutefois que la présente invention n'est pas limitée à l'emploi de tels pré-imprégnés et que, par exem- ple, on peut utiliser des pré-imprégnés constitués de fibres autres-que des fibres de carbone, tels que des fibres de verre ou kevlar, et des résines autres que les résines. époxy peuvent être utilisées En outre, les fibres pour- raient n'être pas tissées et être unidirectionnelles. Les pré-imprégnés superposés sont ensuite recouverts d'une feuille 13 d'un film microporeux qui est perméable aux gaz et aux vapeurs, mais imperméable à la résine liquide Le film microporeux préféré est un pro- duit connu sous le nom de film microporeux Celgard 4510 4 - (fabriqué par la société américaine Celanese Plastics Company) qui est un mince film léger de polypropylène contenant des pores microscopiques uniformément répartis. Les pores peuvent être considérés comme des canaux légè- rement sinueux indépendants les uns des autres qui s'éten- dent d'une surface du film à l'autre Le film est très perméable aux gaz et aux vapeurs, mais agit comme une bar- rière efficace aux particules dont la dimension est supé- rieure à 0,04 microns La feuille particulière 13 de film microporeux utilisée dans le procédé de la présente inven- tion aune épaisseur de 0,125 mm. La feuille 13 de film microporeux est ensuite recouverte d'une feuille de matériau respirant 14 Ce matériau particulier 14 utilisé est un feutre respirant de polyester connu sous le nom de Airweave N 10 (que l'on peut se procurer chez Aero Consultants Limited) Cepen- dant, d'autres-matériaux respirants appropriés peuvent être utilisés, par exemple un tissu de fibres de verre ou un canevas de fibres de verre L'ensemble comprenant les pré-imprégnés 12 su- perposés, la feuille 13 de film microporeux et la feuille 14 de matériaux respirants est ensuite enclos par une membrane 15 imperméable aux gaz, qui est scellée sur les bords extérieurs de la matrice 10, au moyen d'un matériau de scellement approprié 16 La membrane 15 est un film de nylon classique d'ensachage sous vide de 0,076 mm d'épais- seur connu sous le nom de Capran 512 H que l'on peut se procurer chez Allied Chemicals International. Quand la membrane 15 a été scellée sur le moule 10, le volume enclos est aspiré par une pompe à vide (non représentée) On peut laisser s'écouler un petit délai pour assurer la consolidation des pré-imprégnés 12 On élève alors la température de la plaque chauffante 11 à partir de la température ambiante jusqu'à une température à laquelle la résine des pré- imprégnés se dégaze et devient suffisamment mobile pour que les pré- imprégnés s'unissent - et s'adaptent au profil de la forme 10, et cette tempé- rature est maintenue avant gélification de la résine La température effective et la période de temps pendant la- quelle cette température est maintenue sont choisies pour que le dégazage de la résine et le moulage des pré-imprégnés soient sensiblement achevés avant que la:résine ne commence à gélifier Ceci garantit que la porosité dans les pré- imprégnés gélifiés et unis, résultant des gaz et des vapeurs entraînés soit à un niveau très faible ou complètement éliminée La température de la plaque chauffante est alors accrue jusqu'à une température à laquelle se produit la cuis- son complète de la résine Quand la température a été maintenue pendant un temps suffisant pour obtenir une cuisson sensiblement complète de la résine, la température de la plaque chauffante est réduite, le vide supprimé et l'ensemble démonté pour faciliter l'enlèvement de l'article moulé obtenu. Bien qu'une plaque chauffante et une forme sépa- rées aient été décrites ci-dessus, d'autres procédés de chauffage des préimprégnés 12 superposés peuvent être employés Par exemple, la forme 10 pourrait incorporer ses propres éléments chauffants En variante, l'ensemble cons- titué par la forme 10, les pré-imprégnés 12, la feuille 13 de film microporeux, le matériau respirant 14 et la membra- ne 15 pourraient être placés dans un four approprié. La feuille 13 de film microporeux et le matériau respirant 14 assurent que la totalité de la surface expo- sée des pré-imprégnés 12 est exposée au vide Le matériau respirant 14 permet l'accès au vide, mais la feuille 13 de film microporeuxen plus de permettre l'accès au vide, assure qu'aucune résine liquide des préimprégnés ne la traverse. Ainsi, le procédé de la présente invention assure qu'aucune liquide résine n'est entraînée dans le matériau respirant avant que la gélification se produise Ceci étant, les pré- imprégnés sont accessibles au vide pendant toute -6 l'opération de moulage Par conséquent, le dégazage de la résine dans les pré-imprégnés 12 est extrêmement efficace, garantissant ainsi que lesniveaux de porosité de l'article moulé final sont très faibles ou éliminés. Il peut être souhaitable, dans certains cas, de prévoir un matériau de dégagement sur l'une ou les deux faces des pré-imprégnés superposés De tels matériaux peuvent être nécessaires si, par exemple, un fini de surface particulier est requis pour l'article moulé. Le procédé de l'invention est illustré par les exemples suivants Exemple 1 Trois couches de pré-imprégnés mesurant chacune x 30 cm et constituées de tissu de fibres de carbone tissé avec un fini satiné (T 3003 K, disponible chez Toray Industries) imprégné de résine époxy BSL 914 ( 43 2, 5 % de résine w/w) ont été superposées sur la forme 10 (la résine époxy BSL 914 est disponible chez Ciba-Geigy Plas- tics and Additives Co B S D Cambridge) La surface expo- sée des pré-imprégnés superposés est ensuite couverte d'un tissu de dégagement dénommé Bleeder lease B qui est un pli de pelure de nylon enduit d'un agent de dégagement non transférable, que l'on peut obtenir chez Aero Consultants Ltd Ceci est suivi par la feuille 13 *de film microporeux Celgard 4510, le matériau respirant 14 de feutre respirant en polyester Airweave N 10 et finalement la membrane 15 de film de nylon d'ensachage sous vide Capran 512 H. Les pré-imprégnés superposés sont préconsolidés sous un vide de 16 16 millibars pendant 30 minutes à tem- pérature ambiante La température de la plaque chauffante est ensuite élevée à partir de la température ambiante jusqu'à 130 + 30 C à la vitesse de 1 à 30 C par minute. La température est maintenue à 130 3 WC pendant 90 minutes afin de permettre aux pré-imprégnés de se dégazer, de s'unir; de s'adapter à la configuration de la forme 10 et finalement de gélifier La température est ensuite élevée -7- à la vitesse de 1 à 30 C par minute jusqu'à 175-+ 50 C et maintenue à cette température pendant 60 minutes pour achever la cuisson de la résine La température est ensuite descendue en-dessous de 609 C avant que le vide ne soit supprimé et l'ensemble est démonté pour enlever l'article moulé L'article est alors chauffé à 1900 50 C pendant 4 heures afin d'effectuer une post-cuisson de la résine. En examinant l'article moulé, on a trouvé que, bien que le fini de surface dela face inférieure ne soit pas entièrement satisfaisant, le niveau de porosité dans l'article est inférieur à 1 % Chaque pli de l'article moulé a 0,226 0,025 mm d'épaisseur. Exemple 2 Afin de réduire le faible degré de porosité, présent dans l'article fabriqué dans l'exemple précédent, et d'améliorer le fini de surface de la face inférieure, le procédé décrit dans l'exemple 1 est répété avec deux modifications Premièrement, afin de réduire la porosité dans l'article fini, les pré-imprégnés sont déposés indi- viduellement sur la forme et chaque pré-imprégné est suc- cessivement consolidé pendant 15 minutes sous un vide minimum de 16 16 millibars Deuxièmement, une feuille de tissu de dégagement appelée Tygaflor, qui est du verre en fibre enduit de polytétrafluoréthylène non poreux, que l'on=peut se procurer chez Fothergill and Harvey Limited a été interposé entre les pré-imprégnés 12 et la forme 10 - On a constaté que l'article résultant est exempt de porosi- té et a un excellent fini de surface. Avec le procédé de la présente invention, l'opé- ration de moulage est exécutée avec une fuite de résine nulle, c'est-à-dire aucune perte de résine pendant l'opé- ration de moulage Ceci étant, la quantité de résine dans les préimprégnés 12 peut être fixée au niveau désiré pour l'article moulé terminé On doit avoir présent à l'esprit cependant que si les fibres de renforcement dans les pré- imprégnés 12 sont tissées, elles présenteront un certain -8 degré d'élasticité Ceci étant, la pression atmosphé- rique exercée sur les pré-imprégnés pendant l'opération de moulage peut être insuffisante pour comprimer complè- tement les fibres tissées Si la quantité de résine présente dans les préimprégnés est juste suffisante pour former une matrice continue quand la compression complète des fibres tissées est assurée, alors la compres- sion incomplète laissera des vides dans l'article moulé qu'on obtiendra Dans ces conditions-, il est nécessaire de prévoir un léger accroissement de la quantité de résine dans les pré-imprégnés pour s'assurer qu'aucun vide ne reste, tout en évitant toute fuite de la résine hors de l'article moulé. Si un certain degré de fuite de résine est sou- haité, une couche d'un matériau poreux approprié peut être interposé entre la feuille de tissu de dégagement (si l'on en utilise une) et la feuille 13 de film microporeux. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de lesmodifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1. Procédé pour mouler sous vide un article en matériau composite renforcé de fibres, comprenant les étapes suivantes: on superpose sur une forme appropriée plusieurs pr 6- imprégnés comprenant chacun des fibres de renforcement dans une résine non vulcanisée, on recouvre au moins une majeure partie de la surface des pré-imprégnés superposés d'un matériau respirant,- on enclôt les pré-imprégnés et le matériau respirant sous une membraneimperméable au gaz, on aspire l'air hors du volume enclos par la membrane, et on chauffe les pré-imprégnés, caractérisé en ce que, au moins une majeure partie de la surface exposée des pré-imprégnés superposés ( 12) est recouverte par au moins une feuille ( 131 d'un film micro- poreux qui est perméable aux gaz et aux vapeurs, mais qui est imperméable à la résine liquide, et en ce que les pré-imprégnés ( 12) sont chauffés à une-température qui est assez élevée pour provoquer le dégazage de là résine dans les pré-imprégnés ( 12) et rendre la résine suffisamment mobile pour que se produisent la réunion et le moulage des pré-imprégnés ( 12) et-pour que la résine gélifie ensuite, mais pas assez élevée pour que le déga- zage ne soit sensiblement achevé avant que commence la gélification, en laissant un temps suffisant pour que se produisent le dégazage, le moulage et la gélification, après quoi la résine est cuite. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'un matériau de dégagement est interposé entre la surface des pré-imprégnés ( 12) superposés et la feuille ( 13) de film microporeux. 3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un matériau de dégagement est inter- posé entre la surface des pré-imprégnés ( 12) et la forme ( 10). 4. Procédé selon une des revendications précé- - dentes, caractérisé en ce que le chauffage des pré- imprégnés ( 12) est commencé après un temps suffisant après l'opération d'aspiration, pour permettre aux pré- imprégnés ( 12) de se consolider - 5- Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume enclos par la membrane ( 15) est mis sous vide après que chaque pré-imprégné ( 12) soit déposé successivement sur la forme ( 10) pendant un temps suffisant pour permettre à chaque préimprégné ( 12 > déposé de se consolider. 6. Procédé selon une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les fibres sont en carbone. 7. Procédé selon une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que la résine non cuite est une résine époxy.