Brevet FR2584106A1 — publié le 19870102

Procédé de fabrication de structures tridimensionnelles par aiguilletage de couches planes de matériau fibreux superposées et matériau fibreux utilisé pour la mise en oeuvre du procédé La présente invention concerne la fabrication de structures tridimensionnelles formées par des couches planes superposées de matériau fibreux liées entre elles par aiguilletage. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, la fabrication de structures de renfort tridimensionnelles destinées à la réalisation de pièces en matériau composites par densification des structures de renfort, notamment pour fabriquer des disques de freins, tuiles composites, etc. Un procédé connu de fabrication de structures planes par aiguilletage de couches superposées de matériau fibreux est décrit dans le certificat d'utilité FR 2 196 966. Selon ce procédé connu, des couches planes unidirectionnelles sont superposées en étant croisées puis sont aiguilletées. Bien qu'aucune limitation ne soit donnée quant au nombre de couches superposées, ce document est silencieux sur les moyens à utiliser pour réaliser une structure épaisse avec des caractéristiques homogènes dans toute la structure. Le brevet FR 2 414 574 décrit quant à lui un procédé de fabrication de renfort fibreux pour disques de frein par formation d'anneaux de feutre par aiguilletage, empilement des anneaux les uns sur les autres jusqu'à obtention de l'épaisseur souhaitée, et maintien de l'empilement en vue de la densification. Il est indiqué que l'ensemble des anneaux empilés peut être aiguilleté, mais sans décrire le mode opératoire. Les deux documents ci-dessus évoqués, de même que le brevet US 3 772 115 divulguent en fait des techniques d'aiguilletage pour des faibles épaisseurs, et il s'avère que ces techniques ne sont pas telles quelles transposables pour les fortes épaisseurs. Une raison tient à ce que, à partir d'une certaine pénétration dans les couches superposées, les aiguilles perdent de leur agressivité en raison du bouchage de leurs aspérités par des morceaux de fibres arrachés des couches de matériau déjà traversées; les aiguilles ne peuvent alors remplir correctement leur fonction, rendant impossible l'obtention des mêmes caractéristiques d'aiguilletage dans toute l'épaisseur de l'empilement. Or, pour des matériaux destinés à être exposés à des contraintes thermomécaniques sévères, il est important de maintenir les propriétés constantes dans toute la masse afin, par exemple, d'éviter des délaminages. Aussi, selon l'un de ses aspects, la présente invention a- t-elle pour but de fournir un procédé permettant de réaliser des structures tridimensionnelles épaisses par aiguilletage de couches planes superposées avec une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur. Ce but est atteint grâce à un procédé selon lequel, conformément à l'invention, des bandes planes de matériau fibreux sont superposées sur un plateau en aiguilletant chaque nouvelle bande sur la précédente jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée, et la distance entre le plateau et les aiguilles est modifiée à chaque fois qu'une nouvelle bande est amenée sur l'empilement, de manière a réaliser un aiguilletage sensiblement uniforme dans toute l'épaisseur de la structure. Le plateau et les aiguilles sont mutuellement écartés, à chaque amenée d'une nouvelle bande, d'une distance égale à l'épaisseur de la bande une fois aiguilletée. A chaque passe d'aiguilletage, les aiguilles traversent plusieurs bandes superposées. Aussi, afin d'obtenir un matériau homogène dans toute son épaisseur, des passes d'aiguilletage de finition sont réalisées après l'amenée et l'aiguilletage de la dernière bande, de manière que la densité d'aiguilletage dans les couches supérieures soit sensiblement égale à celle dans les autres couches. Après chaque passe de finition, le plateau et les aiguilles sont mutuellement déplacés comme si une nouvelle bande était amenée. Du fait qu'elles effectuent une partie de leur course dans l'air au cours des passes de finition, les aiguilles sont plus agressives vis à vis des couches supérieures de l'empilement que si elles avaient dû préalablement traverser d'autres couches avec bouchage plus ou moins important de leurs aspérités. Pour cette raison, le nombre de passes de finition est de préférence inférieur à celui nécessaire pour arriver jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la dernière couche de l'empilement. Selon un autre de ses aspects, la présente invention vise un matériau fibreux apte à être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. Le choix du matériau fibreux est guidé par l'application envisagée, tout en faisant en sorte que la texture aiguilletée se prête à l'opération de densification, c'est-à-dire présente une porosité ouverte assez importante. Par exemple, la bande de matériau pourra comprendre au moins une couche formée de fibres seules discontinues, obtenue par cardage ou une couche de fibres continues obtenue par nappage de câbles ou de fils suivi d'un pré-aiguilletage. Lorsqu'une plus grande tenue mécanique est exigée, on pourra utiliser un complexe constitué d'un tissu (toile ou satin) sur lequel a été aiguilletée une nappe de fibres, un tissu constitué en chaîne et en trame de fils formés de filaments continus ou discontinus, ou encore un tissu constitué en chaîne de fils formés de filaments continus ou discontinus et en trame d'une mèche de filature. Par ailleurs, le matériau doit se prêter à l'aiguilletage, ce qui n'est guère le cas des fibres de carbone ou céramiques entrant dans la composition des matériaux composites utilisés actuellement pour des applications demandant une haute tenue thermomécanique. Dans ce dernier cas, une partie au moins des fibres constitutives du matériau sont des fibres précurseurs de carbone ou de céramiques qui se prêtent bien à l'aiguilletage et qui sont ultérieurement transformées en fibres de carbone ou céramique par traitement de la structure. D'autres particularités et avantages du procédé selon l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci- après, à titre indicatif, mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue illustrant, très schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et - les figures 2 à 4 illustrent, en coupe, différents stades de la réalisation d'une structure avec le procédé selon l'invention. Sur un plateau horizontal 10 sont amenées, une par une, des bandes 20 de matériau fibreux de largeur et longueur déterminées en fonction des dimensions de la structure à réaliser. Les bandes 20 sont empilées les unes sur les autres et liées entre elles par aiguilletage au moyen d'une planche à aiguilles 12. Celle-ci est située au-dessus du plateau 10 et s'étend parallèlement à l'un des côtés du plateau 10, et sur une longueur sensiblement égale à cellede ce côté, avec les aiguilles 13 dirigées verticalement vers le bas. La planche à aiguilles 12 est solidaire d'un dispositif d'entraînement (non représenté) qui, de façon bien connue en soi, communique aux aiguilles un mouvement alternatif vertical. La planche à aiguilles 12 et l'empilement de bandes 20 sont mobiles l'un par rapport à l'autre en direction horizontale et en direction verticale. Horizontalement, le plateau 10 est par exemple mobile par rapport à une table support 14, perpendiculai- rement à la planche 12, sous l'action de moyens d'entratnement(non représentés) montés sur la table 14. Verticalement, le déplacement mutuel du plateau 10 et de la planche 12 est par exemple réalisé par entratnement de la table 14 au moyen de vis sans fin ou autre dispositif d'accouplement avec un moteur (non représenté) fixé au bâti de support de la planche à aiguilles. La fabrication d'une structure est réalisée comme suit. Une première bande de matériau est placée sur le plateau , puis une seconde lui est superposée et est aiguilletée sur la premiere, la planche à aiguilles 12 étant animée en permanence d'un mouvement vertical alternatif tandis que le plateau est déplacé horizontalement sur une longueur au moins égale à celle des bandes 20 pour faire défiler cellesci sur toute leur longueur en regard de la planche 12. Lorsque le plateau 10 est parvenu à une extrémité de sa course, une nouvelle bande 20 est empilée sur les précédentes puis la table 14 est descendue d'une distance correspondant à l'épaisseur e d'une bande aiguilletée avant de réaliser une nouvelle passe d'aiguilletage par déplacement du plateau 10 jusqu'à l'autre extrémité de sa course. On procède ainsi en alimentant le plateau 10 en nouvelles bandes à chaque extrémité de sa course horizontale, jusqu'à atteindre la hauteur désirée pour la structure. A chaque pénétration des aiguilles, les aspérités (ou barbes) de cellesci entraînent des fibres du matériau des bandes traversées, lesquelles fibres réalisent les liaisons verticales entre les bandes superposées. Les figures 2 et 3 montrent les aiguilles respectivement en position haute et en position basse. Les aiguilles pénètrent dans la texture sur une profondeur égale à plusieurs fois l'épaisseur d'une bande 20 aiguilletée (par exemple 8 fois). La profondeur d'aiguilletage est maintenue constante pendant toute l'opération du fait de l'abaissement progressif de la structure par rapport aux aiguilles. Afin de pouvoir aiguilleter les premières bandes sur le plateau 10, il est nécessaire de prévoir des moyens permettant d'éviter que les aiguilles 13 viennent buter contre la surface dure du plateau 10. A cet effet, le plateau 10 est recouvert d'un revêtement 11 dans lequel les aiguilles peuvent pénétrer sans être endommagées et sans ramener de particules ou fibres au sein de la structure à fabriquer. Le revêtement 11 peut par exemple être constitué d'une feuille 11a d'élastomère armé (par exemple de l'Hypalon" armé d'un tissu de "Nylon") fixée au plateau 10 et sur laquelle est collée une couche llb formée d'un feutre d'embase (par exemple 2584'106 feutre de polypropylène) d'épaisseur suffisante pour que les aiguilles, lors de la première passe d'aiguilletage puissent pénétrer sur la profondeur d'aiguilletage prévue sans toucher le plateau 10. Sur le feutre d'embase est collée une autre feuille 11c, par exemple en polychlorure de vinyle. Au cours de l'aiguilletage, la feuille 11c est traversée par les aiguilles mais évite que trop de fibres provenant du matériau des bandes 20 ne s'incrustent dans le feutre d'embase et compliquent l'enlèvement de la structure terminée. On notera, en variante, qu'il est possible soit de maintenir le plateau immobile horizontalement et donc de déplacer la planche à aiguilles, soit de réaliser l'aiguilletage sur un plateau perforé avec des perforations correspondant aux aiguilles de la planche 12. Dans ce cas, il n'est pas utile de munir le plateau d'un revêtement de surface tel que le revêtement 11. Le plateau est immobile par rapport à la planche à aiguilles en direction horizontale et c'est donc l'empilement de bandes qui est déplacé horizontalement sur le plateau à chaque passe d'aiguilletage. Afin d'obtenir une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur de la structure, il est nécessaire de procéder à des passes d'aiguilletage de finition après mise en place et aiguilletage de la dernière bande. On procède comme si de nouvelles bandes étaient mises en place. Du fait que les aiguilles traversent alors une certaine distance d dans l'air avant d'atteindre la structure et de parvenir en fin de descente (figure 4), leurs aspérités sont moins bouchées que si elles avaient dû traverser une même distance d à travers le matériau fibreux. Les aiguilles présentent ainsi une agressivité croissante au cours des passes de finition. Pour éviter alors un aiguilletage plus dense dans les couches supérieures, le nombre de passes de finition réalisé (par exemple quatre) est inférieur à celui (huit) qui aurait été nécessaire pour parvenir jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la bande déposée en dernier. La bande en matériau fibreux peut se présenter sous 2584 106 différentes formes, notamment en fonction de l'application envisagée. Ainsi, le matériau fibreux peut être au moins en partie constitué par une couche de fibres discontinues obtenue par cardage (voile de carde), ou par une couche de fibres continues obtenue par croisement de nappes unidirectionnelles de câbles ou fils continus et aiguilletage à faible densité (pré-aiguilletage) des nappes entre elles. Dans ce dernier cas, le croisement pourra être réalisé comme connu en soi par nappage; l'une des nappes de câbles ou fils unidirectionnelles est alimentée en continu tandis qu'une autre nappe de câbles ou fils unidirectionnelle lui est superposée par va-et-vient en direction perpendiculaire au déplacement de la première nappe. Du fait du déplacement relatif entre les nappes unidirectionnelles, on obtient en fait trois nappes superposées formant entre elles des angles différents de , par exemple environ 60 . Lorsqu'une tenue mécanique supérieure est demandée à la structure notamment en fonction des propriétés souhaitées du matériau composite final à fabriquer, le matériau fibreux est constitué par au moins une couche tissée par exemple: - un complexe constitué d'un tissu de fils continus ou discontinus (satin ou toile) sur lequel a été aiguilletée avec une faible densité d'aiguilletage une nappe de fibres discontinues obtenue par cardage (voile de carde) ou une nappe de fibres continues, ces nappes étant déposées sur le tissu par nappage, - un tissu seul constitué en chaîne et en trame de fils formés de filaments continus ou discontinus, ou - un tissu seul constitué en chaîne de fils formés de filaments continus ou discontinus et en trame d'une mèche de filature. Les fibres constituant les matériaux décrits ci-dessus peuvent être toutes fibres naturelles, artificielles ou synthétiques, organiques ou minérales, telles quelles ou traitées thermiquement, le choix de la nature des fibres dépendant de l'application envisagée. S'agissant de la réalisation de structures de renfort pour matériaux composites destinés à supporter des efforts thermomécaniques importants, les fibres les plus intéressantes sont les fibres de carbone et les fibres céramiques (alumine, carbure de silicium,...) ainsi que les fibres précurseurs de ces fibres ou toutes fibres constituant un intermédiaire entre fibres précurseurs et les fibres complètement traitées thermiquement. Lorsque la structure tridimensionnelle est réalisée totalement ou en partie à partir de fibres précurseurs ou intermédiaires, elle subit ultérieurement le traitement thermique destiné à conférer aux fibres les propriétés mécaniques optimales. Cette dernière façon de procéder permet de ne pas briser les fibres lors de l'aiguilletage dans le cas o les fibres traitées thermiquement ont des modules trop élevés et des résistances transversales trop faibles pour être aiguilletées sans dommage, comme c'est le cas des fibres carbone et céramiques. Ainsi, les matériaux décrits plus haut pourront être constitués au moins en partie avec des fibres précurseurs de carbone ou de céramique, le reste éventuel des fibres étant en carbone ou en céramique. Par exemple, le matériau fibreux destiné à l'aiguilletage est constitué par un complexe formé d'un tissu de fibres de carbone haute résistance pré-aiguilleté avec un voile de carde de fibres de P.A.N. (polyacrylonitryle, précurseur du carbone) stabilisé. Dans ce complexe, le tissu apporte la tenue mécanique désirée tandis que la nappe de fibres autorise un aiguilletage non destructeur des bandes superposées car les barbes des aiguilles, se couvrant de P.A.N. stabilisé, ne blessent pas gravement les fibres de carbone. Par souci d'économie, le tissu sera choisi le plus léger possible compte-tenu des propriétés mécaniques désirées, par exemple avec une masse surfacique comprise entre 100 et 600 g/m2. Dans l'exemple précédent, on pourra bien entendu remplacer indépendamment fibres et/ou précurseurs de carbone par fibres et/ou précurseurs de céramique. Et, inversement, un tissu en fibres précurseurs de carbone ou céramique peut être combiné avec un voile de carde en fibres carbone ou céramique. De la même manière, fibres de carbone ou céramique et fibres précurseurs de carbone ou céramique peuvent être combinées en formant indépendamment l'une de l'autre la chaîne et la trame d'un tissu constitué, en chaîne, de fils de filaments continus ou discontinus et, en trame, d'une mèche de filature ou de fils de filaments continus ou discontinus. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de structures tridimensionnelles formées par des couches planes superposées de matériau fibreux liées entre elles par aiguilletage, caractérisé en ce que: des bandes planes de matériau fibreux sont superposées sur un plateau en aiguilletant chaque nouvelle bande sur la précédente jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée, et la distance entre le plateau et les aiguilles est modifiée à chaque fois qu'une nouvelle bande est amenée sur l'empilement, de manière à réaliser un aiguilletage sensiblement uniforme dans toute l'épaisseur de la structure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plateau et les aiguilles sont mutuellement écartés, à chaque amenée d'une nouvelle bande, d'une distance égale à l'épaisseur de la bande une fois aiguilletée. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'empilement des couches ou l'ensemble des aiguilles est déplacé l'un par rapport à l'autre, une nouvelle bande étant superposée à la structure en cours de fabrication à chaque fois que l'empilement des couches ou l'ensemble des aiguilles parvient à l'une des extrémités de sa course. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des passes d'aiguilletage de finition sont réalisées après l'amenée et l'aiguilletage de la dernière bande, de manière que la densité d'aiguilletage dans les couches supérieures soient sensiblement égale à celle dans les autres couches. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le nombre de passes de finition est inférieur à celui nécessaire pour arriver jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la dernière couche de l'empilement. 6. Matériau fibreux destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué par des nappes unidirectionnelles de câbles ou fils croisées et pré-aiguilletées 8 4 106 entre elles. 7. Matériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que les nappes sont croisées en formant des angles d'environ 60 . 8. Matériau selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les nappes sont constituées, indépendamment l'une de l'autre, de câbles ou fils dont les fibres sont en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques. 9. Matériau fibreux destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche tissée. 10. Matériau selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué par un tissu de fils continus ou discontinus sur lequel un voile de carde est pré-aiguilleté. 11. Matériau selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tissu et la voile de carde sont constitués, indépendamment l'un de l'autre, par des fibres en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques. 12. Matériau selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué par un tissu dont la chaîne est formée de fils continus ou discontinus et la trame d'une mèche de filature. 13. Matériau selon la revendication 12, caractérisé en ce que la chaîne et la trame sont constituées, indépendamment l'une de l'autre, par des fibres en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques.