Brevet FR2567807A1 — publié le 19860124

PROCEDE POUR LA REALISATION DE PIèCES EN MATERIAUX COMPOSITES ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE ET PIECES OBTENUES PAR CE PROCEDE L'invention est relative à un procédé pour la réalisation de pièces en matériaux composites à base de fibres, à un dispositif permettant de mettre en oeuvre ce procédé et aux pièces en matériaux composites obtenues à l'aide de ce procédé. Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans divers secteurs de l'industrie: ce sont des matériaux constitués de produits de nature et de propriétés différentes ; il existe des composites métalliques réalisés en mélangeant une poudre ou des paillettes d'un métal avec un autre produit qui sert de liant à l'ensemble. Le produit de liaison peut être un autre métal: dans ce cas la liaison entre les deux produits peut être réalisée par fusion. Il existe également des matériaux composites réalisés à l'aide d'une matrice en résine soit thermoplastique, soit thermostable, soit thermodurcissable. Cette matrice reçoit des fibres coupées ou continues. Ces fibres peuvent être des fibres de verre, des fibres de carbone, ou bien un mélange de fibres de divers matériaux. L'invention s'applique plus particulièrement à un procédé pour la réalisation de pièces en matériaux composites à base de fibres longues et d'une résine. Les modes de réalisation de pièces en tels matériaux composites varient selon le produit fini à obtenir: lorsqu'on veut réaliser un bloc, on utilise des fibres coupées que l'on mélange à la résine. Le bloc est obtenu ensuite par injection ou par moulage du mélange. Les pièces possédant une structure creuse, telles que des tubes, sont réalisées soit par enroulement filamentaire, soit par une technique dite de "drapage". La technique de l'enroulemènt filamentaire consiste à utiliser un noyau donnant l'aspect intérieur de la pièce. Ce noyau est enduit de résine, puis des fibres continues sont enroulées sur la matrice ainsi obtenue, puis l'ensemble est à nouveau enrobé de résine. Plusieurs couches peuvent ainsi être réalisées. Lorsque la pièce a atteint l'épaisseur voulue, la résine est durcie selon une technique appropriée au matériau employé. Dans la technique dite du "drapage", au lieu de fibres continues, on utilise un tissu à base de fibres pour draper la matrice. Ce tissu est, comme les fibres continues, enrobé de résine. Comme dans le cas précédent, plusieurs couches superposées peuvent être réalisées et lorsque l'épaisseur souhaitée est obtenue, la résine est polymérisée à chaud ou à froid après mise en place de la dernière couche. Dans ces deux techniques, après que la résine ait été polymérisée, l'ensemble de la pièce est séparé du noyau. Cependant, ces divers modes de réalisation présentent chacun des inconvénients. La technique de l'enroulement filamentaire permet d'obtenir des pièces de formes et de reliefs particuliers. Cependant, c'est une technique longue à mettre en oeuvre car l'ensemble du noyau doit être entouré pour que la pièce soit d'une rigidité suffisante. De plus, lors de la phase d'enroulement, qui doit dans la plupart des cas être effectuée manuellement, il peut se produire des fausses manoeuvres qui entraînent une mauvaise homogénélté dans la répartition de la fibre. La technique du "drapage" permet d'obtenir une meilleure répartition des fibres puisque l'on part d'un tissu déjà constitué. Cependant, cette technique ne permet pas d'obtenir des reliefs particuliers, à moins de réaliser des plissages dans le tissu qui nuisent alors à la bonne tenue mécanique des pièces ainsi réalisées. Dans ces deux techniques, il peut également exister des irrégularités de surface sur la pièce finie, lesquelles irrégularités sont dues à une mauvaise répartition en épaisseur des fibres. Les buts de l'invention sont donc de remédier à ces inconvénients en réalisant des pièces en matériaux composites de manière rapide, et qui ne présentent pas, une fois finies, des irrégularités de structure ou de répartition des fibres entraînant l'apparition de zones de rupture sur les pièces. Egalement, un autre but de l'invention est d'obtenir des pièces dans lesquelles le taux de répartition des fibres est homogène. Selon l'invention, un procédé pour la réalisation de pièces en matériaux composites à partir d'un tissu constitué par l'entre croisement de fils à base de fibres et par une résine est caractérisé en ce que les fils constitutifs du tissu peuvent coulisser librement les uns par rapport aux autres, en ce que le tissu est enrobé d'une résine de liaison, et en ce que la forme et/ou les reliefs de la pièce sont obtenus par emboutissage de l'ensemble résine-tissu et en ce que, après emboutissage, la pièce est durcie selon une technique spécifique a la résine de liaison employée. De préférence, le tissu est constitué d'au moins une série de fils de trame et d'au moins d'une série de fils de chaîne et de fils de diagonale il n'existe aucun noeud entre fils de trame et fils de chaîne et fils de diagonale ou bien encore entre fils d'une même série. Cette caractéristique est particulièrement intéressante i en effet, il est possible, puisque les fils coulissent librement dans lgâme du tissu, de modifier le profil ou le relief d'un morceau de tissu de ce type. La structure du tissu permet d'aboutir à des modifications de relief par emboutissage. Partant d'un morceau de tissu plan, il est donc possible d'obtenir un tissu possédant, par exemple, des creux et/ou des bosses. Pour obtenir une pièce utilisant un tissu du genre précité, il est nécessaire de réaliser diverses opérations qui sont l'objet du procédé de l'invention, et notamment d'ajouter un produit de liaison qui permet de maintenir l'ensemble dans sa forme définitive. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- tront avec la description de quelques modes de mise en oeuvre du procédé faite en regard des figures cionnexées sur lesquelles: - la figure 1 est une vue du tissu utilisé préférentiellement pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; - la figure 3 est une pièce réalisée par le procédé de l'invention - la figure 4 est une autre pièce réalisée par le procédé de l'invention ; - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe AA de deux variantes de réalisation de pièce de la figure 4. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement le tissu utilisé préférentiellement pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Deux séries i et 2 de fils sont perpendiculaires entre elles et déterminent des mailles sensiblement carrées. Deux autres séries 3 et 4 de fils également perpendiculaires entre elles, déterminent les diagonales du premier maillage. Il s'ensuit que l'ensemble du maillage est constitué de triangles. Chacun des fils coulisse librement dans l'âme du tissu et peut être déplacé de sa position initiale. On conçoit donc aisément qu'il possible d'emboutir un tel morceau de tissu pour lui donner des reliefs particuliers. L'utilisation d'un tissu ainsi réalisé est préférable à celle d'un tissu ne possédant des fibres que dans deux directions. En effet, lors du tissage, les mailles du tissu, aux endroits des parties embouties, s'agrandissent suite à la déformation imposée. Un tissu dont les mailles sont constituées de fils disposés dans plus de deux directions différentes conserve, aux endroits des parties embouties, un maillage plus serré qu'un tissu possédant des fils orientés dans deux directions. ll s'ensuit que le taux de répartition des fibres est plus important et que la rigidité de la pièce finie est d'autant plus grande. La figure 2 représente le dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Préalablement à l'utilisation de ce dispositif, une couche de tissu T est enrobée de résine 5 qui sert de matrice de liaison. Cette résine peut être une résine thermostable ou une résine thermodurcissable. Le matériau constitutif du dispositif d'emboutissage doit avoir un coefficient de dilatation thermique compatible avec celui de la matrice de liaison. En effet, comme il est expliqué ultérieurement, l'ensemble du dispositif et de la pièce est chauffé pour durcir la résine. Afin qu'aucune déformation relative de la pièce par rapport au dispositif ne survienne lors de cette phase de chauffage, il faut donc que la résine et le dispositif aient le même coefficient de dilatation thermique. Ainsi, par exemple, lorsqu'une résine époxyde ou polystyrilpyridène ou polyimide est utilisée comme matrice de liaison, le dispositif comprend un mélange de carbone et de chrome dans une proportion de 13 96 de chrome et de 25 à 32 % de carbone. Le dispositif comporte une matrice 6 dans laquelle sont ménagées des formes 7 correspondant à la pièce à obtenir. Un poinçon 8 permet de réaliser l'emboutissage du tissu T imprégné de résine 5. Un serre-flan 9 est prévu pour comprimer légèrement le tissu T et la résine 5 contre la matrice 6. Dans ce serre-flan on prévoit le passage du poinçon 8. Le serre-flan 9 permet de contrôler régulierement la tension des fibres lors de l'emboutissage, ce qui assure des caractéristiques mécaniques homogènes à la pièce terminée. Plus particulièrement, le serre-flan évite que lors de l'action du poinçon, les fils constitutifs du tissu ne partent dans des directions incontrôlées, ce qui entraînerait une mauvaise répartition des fibres dans la pièce finie. Les figures 3 à 6 montrent des pièces ou des parties de pièces obtenues par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 3 représente une pièce de faible épaisseur, réalisée d'une seule couche de tissu et ayant une forme générale de gouttière au centre de laquelle se trouve un godet. La partie en forme de gouttière est réalisée par pliage du tissu alors que le godet est réalisé par emboutissage. On voit très bien sur cette figure que lors de l'emboutissage, les fils 1, 2, 3, 4 constitutifs du tissu s'écartent les uns des autres, ce qui agrandit les mailles à l'endroit de la partie emboutie. Le mode de réalisation d'une telle pièce possédant une partie creuse et une seule épaisseur cie tissu est le suivant La première opération consiste à imprégner de résine le tissu. De préférence, cette opération se fait à plat, ce qui assure une bonne pénétration de la résine à travers les mailles du tissu. Ensuite, le tissu et la résine sont placés sur la matrice 6 qui possède des reliefs 7 déterminant l'aspect extérieur de la pièce finie a' obtenir (figure 2). Dans le cas d'une pièce telle que représentée à la figure 3, la matrice 6 possède également un relief en creux permettant d'obtenir la partie en gouttière. Cette partie en gouttière est obtenue par pliage du tissu imprégné de résine. Le serre-flan 9 maintient la partie en gouttière et les parties non pliées. L'épaisseur de tissu est alors emboutie par l'outillage poinçon 8, matrice 6. De préférence, la pression exercée par le serre-flan sur le tissu est minimum et la vitesse de déplacement relative entre le poinçon et la matrice est très faible, de façon à permettre aux fibres du tissu de prendre leurs positions convenables sans être arrachées ou bien encore coupées ou réparties dans de mauvaises directions, ce qui déformerait la pièce à obtenir. Le serre-flan assure donc un maintien du tissu sans contrainte. Lorsque cette opération d'emboutissage est terminée, le poinçon 8 est dégagé et une nouvelle imprégnation de résine est effectuée sur le tissu déformé de façon à assurer l'homogénélté et la bonne répartition de la résine. Une dernière opération consiste à redescendre le poinçon pour éliminer le surplus de résine. La pression exercée par le poinçon permet de faire fluer la résine en excès et de garantir un taux de charge de fibres convenable. Lorsque cette opération de mise en pression est terminée, l'ensemble de l'outillage, ctest-à-dire la matrice 6, le poinçon 8, le serre-flan 9, est chauffé suivant une loi de montée et de stabilisation en température qui correspond à la résine utilisée. Cette opération permet d'obtenir le durcissement de la résine par polyméirisation Durant toute la phase de montée en température, la pression est maintenue et régulée. Dans le cas où l'on désire réaliser des pièces possédant plusieurs couches de tissus la mise en oeuvre du procédé est la suivante: Comme dans le cas précédent, une première imprégnation du tissu par la résine est effectuée9 puis une première opération d'emboutissage et de retrait du poinçon9 puis une nouvelle imprégnation du tissu embouti de façon a' assurer l'homogénéité et la bonne répartition de la matrice de liaison. A ce moment, une nouvelle couche Ce tissu est appliquée: pour ce ta, on procède a une première imprégnation de cette couche, à la mise en place de cette couche dans le dispositif, au-dessus de la couche déjà réalisée puis a l'emboutissage d'une seconde couche, a un nouveau retrait du poinçon, puis à une nouvelle imprégnation de la couche emboutie. Ces opérations se répètent autant de fois qu'il y a de couches a disposer. Comme dans la mise en oeuvre du procédé pour une seule couche, lorsque toutes les couches sont en place, une dernière opération consiste à redescendre le poinçon à sa place définitive9 puis à assurer une pression convenable pour éliminer le surplus de résine. Ensuite l'ensemble de l'outillage est chauffé pour que la résine soit durcie. L'une des caractéristiques du dispositif est que le poinçon et le serre flan sont étudiés et réalisés en tenant compte de l'épaisseur finale de la pièce à obtenir, donc en fonction du nombre de couches de tissu a' disposer. En effets c'est le même poinçon qui est utilise pour emboutir les couches successifs de tissu. il faut donc qunil y ait un jeu suffisant entre le poinçon et les reliefs 7 ménagés dans la matrice 6 pour tenir compte de cette épaisseur. Dans le cas où l'on dispose plusieurs couches de tissu, il est possible d'utiliser un tissu d'un matériau différent à chaque couche pour conférer des caractéristiques mécaniques particulières à la pièce finie. La figure 4 représente une pièce emboutie par le procédé de l'invention, mais possédant une structure interne différente de celle de la figure 3. Les figures 5 et 6 permettent d'expliquer la mise en oeuvre du procédé de l'invention pour obtenir une pièce possédant la structure de celle représentée sur la figure 4. Plus précisément, ces figures 5 et 6 montrent la structure interne de la figure 4 selon un plan de coupe AA. La figure 4 représente une pièce en matériaux composites ou bien encore une portion de pièce qui comporte une partie plane 10 et une partie en saillie 11 émergeant du plan déterminé par la partie plane 10. Contrairement à la pièce représentée sur la figure 3, sur laquelle le godet qui fait saillie par rapport au plan principal engendre un creux, la partie en saillie 11 de la pièce de la figure 4 est pleine à l'intérieur. Il s'ensuit qu'aucun creux n'apparaît sur cette pièce. Egalement, sur cette figure on a représenté un orifice 12 ménagé dans l'épaisseur de la partie en saillie 11. Cet orifice sert par exemple au passage d'un axe mécanique (non représenté) pour le maintien etJou l'articulation de la pièce à une autre. Par exemple, la partie plane 10 est une partie d'un volet ou bien encore est un papillon d'obturation d'un orifice quelconque. Egalement, les parties en saillie II, sans l'orifice 12, peuvent être utilisées sur des pièces en matériaux composites pour assurer un renfort mécanique de ces pièces. Le procédé de l'invention, appliqué à de telles structures, est particulièrement avantageux et fiable En effet, pour réaliser une partie en saillie avec les techniques de l'art antérieur, il faut réaliser ltélément en saillie préalablement à la pièce, puis l'insérer au cours de la fabrication de la pièce ou après. Il s'ensuit qu'il existe des risques de rupture et/ou de séparation de la pièce et de l'élément en saillie qui a été inséré ou ajouté au reste de la pièce. La figure 5 permet de réaliser un premier mode de mise en oeuvre du procédé pour aboutir à la réalisation d'une partie en saillie Il sur une pièce en matériaux composites. Le mode de réalisation représenté sur cette figure consiste à imprégner une première couche Cl de tissu à l'aide de résine, puis à réaliser l'emboutissage de cette première couche, à l'endroit où doit apparaître la saillie 11. Après l'emboutissage, une nouvelle imprégnation est effectuée afin d'homogénéiser la répartition de résine. D'autres couches C2 à C5 sont alors superposées à la première en subissant les mêmes opérations d'imprégnation et d'emboutissage. Il s'ensuit, qu'au fur et à mesure de la superposition, le creux résultant de l'emboutissage est de moins en moins profond, et que finalement, il n'est plus possible d'emboutir aucune couche : le creux est comblé. A la suite de cela, l'orifice 12 est réalisé en passant une tige entre les fibres respectives des différentes couches de tissu, sans qu'aucune fibre ne soit coupée ou détériorée. La résine est alors durcie comme précédemment par polymérisation. La figure 6 montre une variante de réalisation qui permet de limiter le nombre de couches de tissu embouties pour obtenir la partie en saillie 11. Dans ce mode de réalisation, un insert 13, constitué de préférence d'un mélange d'une résine de même nature que le reste de la pièce et de fibres de même nature que le reste de la pièce, est placé après qu'une ou deux couches C6, C7 de tissu aient été embouties pour donner forme à la partie en saillie 11. Plus précisément, cet insert 13 est positionné dans le creux obtenu suite à l'emboutissage de ces première; couches C6, C7. L'insert est ensuite emprisonné en plaçant une ou plusieurs couches C8, C9, C10 de tissu planes. L'orifice 12 est réalisé ensuite à l'aide d'une tige en passant entre les fibres du tissu et au travers de l'insert 13. La résine de liaison est ensuite durcie, comme précédemment, par polymérisation en réchauffant l'ensemble matrice, serre-flan, poinçon. Il est souhaitable de traiter les surfaces du dispositif, c'est-à- dire de la matrice, du poinçon et du serre-flan en contact avec la pièce, préalablement à la réalisation de celle-ci, afin d'éviter l'adhérence des pièces lors du démoulage. Selon la résine utilisée, le traitement sera différent. Par exemple, dans le cas d'une utilisation de résine époxyde, des micro-particules de graphites sont déposées sur les éléments constitutifs du dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention. P EVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation de pièces en matériaux composites, à partir d'un tissu (T) constitué par l'entrecroisement de fils (1, 2, 3, es) à base de fibres, et à partir d'une résine (5) de liaison, caractérisé en ce que les fils (1, 2, 3, 4) constitutifs du tissu (T) sont libres les uns par rapport aux autres et sont disposés dans au moins deux directions différentes, et en ce qu'au moins une épaisseur de tissu (T) est imprégnée d'une couche de résine (5) de liaison, et en ce que les formes et/ou les reliefs des pieces sont obtenus par emboutissage de la couche ainsi imprégnée, en ce que, après embou- tissage9 la forme ainsi obtenue est de nouveau imprégnée de résine, afin d'homogénéiser la répartiflon de cette dernière, et en ce que la pièce est régidifiée en faisant monter en température la résine (5) de liaison, afin de la polymériser. 2. Procédé selon la revendication B, caractérisé en ce qu'une première couche (Cl) de tissu est imprégnée de résine, puis emboutie aux endroits ou doivent apparaître des reliefs particuliers, en ce que l'ensemble ainsi embouti est à nouveau imprégné de résine, afin d'homogenéiser la répartition de la résine, et en ce qu'au moins une seconde couche (C2) de tissu est imprégnée de résine, puis positionnée sur la première couche (C I), en ce que la seconde couche (C2) est emboutie sur la première, puis de nouveau imprégnée après l'emboutissage, afin d'homogénéiser la réparticion de résine (5), et en ce que lorsque la dernière couche de tissu est mise en place, l'ensemble est compressé afin de chasser la résine en excès, et en ce que la pièce est rigidifiée par polymérisation de la résine. 3. Tissu pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué de fils (1, 2, 3, X à base de fibres de verre. 4. Tissu pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué de fils (I, 2, 3s 4) à base de fibres de carbone. 5. Tissu pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué de fils (1, 2, 3, 4) disposés dans quatre directions différentes les unes par rapport aux autres (trame, chaîne, diagonales) et en ce que chacun des fils constitutifs peut se déplacer librement dans l'âme du tissu. 6. Résine pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est du genre époxyde. 7. Résine pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I ou 2, caractérisée en ce qu'elle est du genre polystyril pyridène 8. Résine pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I ou 2, caractérisée en ce qu'elle est du genre polyimide. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice (6) possédant des formes (7) déterminant l'aspect extérieur de la pièce à obtenir, au moins un poinçon (8) pour réaliser l'emboutissage du tissu (T) et de la résine (fi) de liaison et un serre-flan ( pour le maintien du tissu lors de l'emboutissage et de la réalisation de la pièce. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice (6), le poinçon (8) et le serre-flan (9) sont réalisés dans un matériau possédant le même coefficient de dilatation thermique que la résine (5) de liaison utilisée pour l'obtention de la pièce. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans le cas ou la résine (5) de liaison utilisée est une résine époxyde, ou polystyrilpyridène ou polyimide, la matrice (6), le poinçon (8) et le serre-flan (9) sont dans un acier comportant un mélange de l'ordre de 13 96 de chrome et de 25 à 32 % de carbone. 12. Pièce en matériau composite, caractérisée en ce qu'elle présente des parties embouties selon le procédé de la revendication I ou 2. 13. Pièce en matériau composite selon la revendication I 2, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une superposition de couches de tissu de même matière. 14. Pièce en matériau composite selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une superposition de couches de tissus de nature différente.