Brevet FR2603842A1 — publié le 19880318

PROCEDE DE REALISATION DE PIECES EN MATERIAUX COMPOSITES, DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE ET PIECES OBTENUES PAR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE L'invention est relative à un procédé pour réaliser des pièces en matériaux composites à base de fibres continues et de résine présentant des formes embouties, à un dispositif pour sa mise en oeuvre et aux pièces obtenues par la mise en oeuvre de ce procédé. De plus en plus de pièces sont réalisées en matériaux compo sites à base d'un liant en résine svnthétique recevant des fibres continues. La résine est soit thermoplastique, soit thermodurcis sable, par exemple époxyde ou polystyrilpyridène, ou bien encore polyimide et les fibres sont des fibres de verre, de carbone, ou bien un mélange de fibres de divers matériaux. Plusier rs procédés sont actuellement connus pour réaliser des pièces en n#. ériaux composites présentant des reliefs particuliers. On colinaît par exemple la technique du drapage qui permet, partant d'un tissu à base de fibres nouées, préimprégnées de résine, d'obtenir une pièce possédant des reliefs particuliers, en réalisant des plis dans le tissu et en effectuant une polymérisation de la résine lorsque la forme souhaitée est obtenue. Cette technique permet d'obtenir des pièces possédant des caractéristiques méca niques correctes, mais la réalisation des plis lors du drapage pose des problèmes de finition et nécessite un pressage de la pièce ou un passage en autoclave haute pression, ce qui implique de forts investissements. Un autre procédé consiste à réaliser un emboutissage d'une superposition orientée de couches unidirectionnelles de fibres pré imprégnées de résine, puis à effectuer une polymérisation. Ce procédé présente le risque que lors de l'emboutissage, les fibres se déplacent de façon anarchique et que la rigidité de la pièce finie s'en trouve affectée. Enfin, l'utilisation de tissus préimprégnés provoque des contraintes importantes sur les fibres lors de l'embou tissage, ce qui peut entraîner leur rupture. L'invention a pour objet un procédé qui permette de réaliser des pièces en matériaux composites à base de fibres continues et d'un liant, qui possèdent des formes embouties, et dont les fibres ne soient pas détériorées lors de la réalisation. Selon l'invention, un procédé pour réaliser des pièces en matériaux composites à base d'un tissu constitué d'au moins deux couches unidirectionnelles, superposées, de fibres libres les unes par rapport aux autres, -orientées dans un sens différent d'une couche à l'autre, et maintenues à l'aide d'un fil de liaison, est caractérisé en ce qu'il consiste à emboutir le tissu dans une matrice à l'aide d'un poinçon, tout en exerçant une tension contrôlée sur chacune des fibres à la périphérie du bord du creux de la matrice avant d'imprégner la pièce à l'aide de la quantité de résine ou de liant nécessaire à la cohésion de la pièce finie, tout en maintenant la tension contrôlée sur les fibres, puis à comprimer l'ensemble formé par la résine ou le liant et le tissu entre la matrice et le poinçon, de façon à dégazer la résine par laminage, tout en contrôlant la position relative du poinçon et de la matrice, de façon à stopper le mouvement du poinçon lorsque ladite position relative est telle que l'épaisseur souhaitée de la pièce est obtenue, puis à polymériser la résine en portant la matrice et/ou le poinçon à une température suffisante, et à démouler la pièce finie après l'avoir laissé refroidir, ainsi que la matrice et/ou le poinçon. Dans un mode de mise- en oeuvre, le procédé est caractérisé en ce qu'il consiste, après avoir commencé l'emboutissage, à stopper le mouvement du poinçon juste avant que le tissu ne se trouve comprimé entre le poinçon et la matrice, à injecter entre le poinçon et la matrice, dans l'espace occupé par le tissu, la quantité de liant ou de résine nécessaire à la cohésion de la pièce finie, à comprimer l'ensemble formé par la résine et le tissu en reprenant le mouvement du poinçon, de façon à dégazer la résine par laminage, tout en contrôlant la position -relative de la matrice et du poinçon puis à polymériser la résine en portant la matrice et/ou le poinçon à une température suffisante, et à ressortir la pièce finie après l'avoir laissé refroidir ainsi que la matrice et/ou le poinçon. Dans une variante, la quantité de résine nécessaire est déposée au fond de la matrice, avant que le poinçon n'ait amorcé l'emboutis- sage. Il est clair que le volume nécessaire de résine est nettement inférieur à celui de la matrice et qu'en conséquence, l'emboutissage du tissu est pratiquement terminé lorsque le tissu poussé par le poinçon arrive au contact de la résine et aucune contrainte due à l'imprégnation par la résine n'apparaît donc lors de l'emboutissage. Dans une autre variante, une quantité de résine inférieure à la quantité nécessaire est déposée au fond de la matrice avant l'emboutissage, et un complément est injecté avant que le tissu ne se trouve comprimé entre le poinçon et la matrice. Cette variante constitue donc une combinaison des deux premieres. #e procédé de l'invention est donc particulièrement avan tag Jx car il permet de résoudre divers problèmes apparaissant dans l'art antérieur. Tout d'abord, l'utilisation d'un tissu constitué de couches unidirectionnelles de fibres superposées évite que, lors de l'emboutissage, des points de cisaillement apparaissent entre deux fibres de deux couches différentes ou même entre deux fibres d'une même couche. Des points de cisaillement sont constitués par exemple par des coudes apparaissant aux points de croisement lorsque des fibres se croisent en passant successivement d'une couche à l'autre. Ensuite, le maintien des fibres par un fil de liaison évite que la répartition des fibres devienne anarchique lors de l'emboutissage. De plus, le fait que Pemboutissage du tissu soit effectué en maintenant une tension contrôlée des fibres contribue à leur bonne répartition et évite en particulier l'apparition de plissages dans le tissu lors de l'emboutissage. En outre, l'emboutissage préalable du tissu avant la mise en place de la résine permet aussi d'éviter de trop grandes contraintes sur les fibres et l'apparition de forces qui tendraient à les casser. Enfin, lorsque la résine est mise en place les fibres sont tendues contre le poinçon et aucun déplacement de celles-ci ne peut survenir. La compression qui suit la mise en place de la résine permet d'une part un laminage de la résine qui supprime les bulles d'air qui pourraient se trouver dans l'épaisseur du matériau, et d'autre part crée une tension supplémentaire des fibres qui augmente la cohésion de la pièce finie. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, la tension contrôlée sur les fibres est assurée à l'aide d'un serre-flan qui est serré de façon à laisser les fibres glisser sans être détériorées ou blessées. Dans un mode de mise en oeuvre, l'injection de résine s'effectue à l'aide d'une canalisation débouchant au fond du creux de la matrice ou en tout autre lieu si nécessaire. Lorsque la résine est injectée, elle passe donc du fond du creux de la matrice vers les bords, en imprégnant le tissu au fur et à mesure de sa progression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention-appara- tront avec la description faite en regard des figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention - les figures 2 et 3 montrent deux phases du procédé mis en oeuvre par ledit dispositif; - les figures 4, 5, 6 sont des détails d'un tissu préféré pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif pour emboutir les pièces conformément à l'invention, et la position relative du tissu et du dispositif avant l'emboutissage. Le dispositif comporte une matrice 1 creuse et un poinçon 2 pour l'emboutissage du tissu 3. Le tissu 3 est, préalablement à l'emboutissage, placé en regard du bord du creux de la matrice. Dans I'exemple,- l'ouverture de la matrice I est vers le haut, et le tissu 3 est donc placé au-dessus de cette ouverture. D'autre part, le dispositif comporte des moyens de serrage du tissu, afin de permettre sa tension contrôlée lors de l'emboutissage et de la polymérisation du liant. Ces moyens de serrage sont constitués, dans le mode de réalisation préféré, représenté sur la figure, par un serre-flan 4, 5, dont une première machoire 4 entoure par exemple l'ouverture de la matrice 1 et est fixe et dont l'autre 5, dans ce cas, est mobile, comme le montrent les flèches 6, 7 de façon à pouvoir venir serrer le tissu contre la première. La force de serrage doit être déterminée par des essais, en fonction de l'épaisseur du tissu et de la forme de la pièce à obtenir. Au moins une canalisation 8 débouche dans le fond du creux de la matrice 1 et permet l'arrivée de la résine ou du liant 9, contenu dans une réserve, qu'il est possible d'injecter par une pompe 10 ou d'autres moyens. Egalement, de préférence, la matrice est munie d'au moins une gorge de détente 11 dont le rôle est expliqué ultérieurement. La figure 2 représente le dispositif lorsque l'emboutissage du tissu 3 a débuté. Le poinçon 2 est dans une phase de descente et les machoires 4, 5 du serre-flan sont serrées de façon à permettre néanmoins que le tissu 3 glisse à l'intérieur sans subir de détériorations, mais qu'il épouse parfaitement la forme extérieure du poinçon 1. Afin de permettre que le tissu épouse la forme du poinçon, toutes ses fibres sont libres les unes par rapport aux autres, comme il est expliqué ultérieurement, en regard des figures 4 à 6. Cette figure illustre la seconde variante du procédé, à savoir celle selon laquelle une certaine quantité de résine ou de liant 9 est mise au fond de la matrice I avant que l'emboutissage n'ait commencé. Il est bien visible sur cette figure que ce sont les parties embouties du tissu 3 qui arrivent en premier au contact de la résine 9, et que ce sont donc des parties qui ont leur forme définitive et, de fait, ne vont plus subir de déformations lors de la suite du processus. En conséquence, le fait que ces parties arrivent au contact de la résine avant que le poinçon 2 ait terminé sa course n'est pas préjudiciable à la tenue des fibres, et n'entraîne pas de contraintes supplémentaires. Par la suite, lorsque le poinçon continue sa descente, il est clair que la résine 9 remonte par capillarité sous l'effet de la pression et imprègne le tissu 3 au fur et à mesure. Dans la première variante, lorsque le poinçon 2 descend pour emboutir le tissu, la résine 9 n'est pas encore présente, mais est injectée lorsque le tissu 3 est presque au contact du fond de la matrice 1, avant d'être comprimé. Les bords supérieurs 200 du poinçon 2 sont également agencés pour qu'il subsiste un espace ou un évent d entre eux et la machoire 5 mobile lorsque la descente du poinçon est totalement achevée, de sorte qu'un éventuel excès de liant ou de résine puisse être évacué par cet espace. Sur la figure 3, on a représenté la phase pendant laquelle la résine est injectée. Le poinçon 2 a presque terminé sa course dans la matrice 1, mais le tissu n'est pas comprimé sur les bords de la matrice. Ceci -permet que la résine 9 puisse être injectée grâce à la pompe 10 et à la- canalisation 8 entre la matrice 1 et le poinçon 2, de sorte qu'elle vienne remplir le maillage du tissu 3. La résine, dans le cas de figure représenté, remonte vers les bords du creux de la matrice I en remplissant les mailles du tissu, comme l'indiquent les flèches 12. Sur cette figure, on a également représenté des gorges de détente 14 sur le poinçon 2. Ces gorges de détente, ainsi que celles Il de la matrice permettent de détecter que la résine ou le liant a rempli effectivement les endroits où elle doit se trouver. En effet, lorsque la résine les atteint, la pression d'injection se stabilise ou diminue, et un opérateur, ou un dispositif associé à l'étage d'injection, peut détecter cette stabilisation ou diminution de pression et commander alors la suite du processus. Dans un mode de réalisation, non représenté, les bords de la matrice et/ou du poinçon sont munis d'un réseau de rainurages ou trous de diStribution qui favorisent la diffusion du liant ou de la résine de part et d'autre de chaque côté du tissu lors de l'injection. Egalement, des gorges de détente peuvent être placées en d'autres endroits de la matrice 1 et/ou du poinçon 2, qu'à la proximité des bords du creux de la matrice 1, de façon à permettre de surveiller la progression du liant ou de la résine dans le dispositif, sans compromettre le démoulage de la pièce. La suite du processus est la suivante: dès qu'il est détecté qu'un volume suffisant de résine a été injecté, l'opérateur ou le dispositif de détection commande l'arrêt de l'injection, puis la compression de l'ensemble formé par la résine et le tissu, afin d'une part de dégazer le tout pour éviter la présence de bulles d'air dans la pièce finie et d'autre part de contraindre les fibres dans la résine pour donner plus de cohésion à la pièce finie. L'excès de liant ou de résine est évacué par l'évent prévu à cet effet, en partie haute entre le poinçon 2 et les machoires 5 dans le cas de figure représenté, comme le montre la flèche 13. Enfin, tout en maintenant la compression, la matrice et/ou le poinçon sont chauffés pour polymériser le liant ou la résine. Dans une variante selon laquelle une certaine quantité de résine 9 est placée dans le fond de la matrice I avant l'emboutissage, deux cas peuvent se présenter - la quantité placée est suffisante, et dans ce cas, la résine va aboutir, lors de sa remontée, dans les gorges de détente 11, 14 de la matrice et/ou du poinçon, puis remonter par l'évent d. Si tel est le cas, il suffit d'attendre que le poinçon 2 et la matrice 1 soient dans la position relative correspondant à l'épaisseur souhaitée de la pièce, après compression, pour effectuer la polymérisation; - la quantité de résine placée au fond est insuffisante; on s'en rend compte lorsque simultanément le poinçon et la matrice sont dans une position telle que le tissu est au contact des deux sans être encore compressé et qu'aucun excès de résine ne s'est évacué par l'évent d ou n'a abouti dans les gorges de détente 11, 14. Dans ce cas, on procède à une injection complémentaire de résine par la canalisation 8, et on attend la détection du passage de la résine dans les gorges de détente 11, 14, ou la fuite d'un excès par l'évent, avant de comprimer pour dégazer et de polymériser. Dans le but de polymériser la matrice et/ou le poinçon sont munis, dans un mode de réalisation préféré, d'éléments de chauffage tels que des résistances électriques. Lorsque le temps de chauffage nécessaire est atteint, le chauffage est stoppé, et on laisse polymériser le tout avant de relacher la compression et de sortir la pièce finie. Dans une variante de mise en oeuvre, la matrice et/ou le poinçon 2 sont préchauffés pendant la phase d'injection, afin de favoriser la diffusion du liant ou de la résine et de gagner du temps sur la phase de polymérisation. Les figures 4 à 6 montrent des détails d'un type de tissu préféré pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. De préférence, comme le montrent ces figures, le tissu est composé de quatre couches superposées de fibres unidirectionnelles libres les unes par rapport aux autres et formant une structure indémaillable. Les figures 4a, 4b, 5 montrent la superposition et l'orientation relatives des couches les unes par rapport aux autres. Sur la figure 4a, - on a représenté la position relative des couches l'une par rapport à l'autre. Les fibres d'une première couche 15 constituent une trame et sont perpendiculaires aux fibres d'une seconde 16 constituant la chaîne, alors que les fibres d'une troisième 17 et quatrième 18 couche font un angle entre elles et avec les fibres des première et seconde couches, et constituent des diagonales. Dans une même couche, les fibres sont regroupées en paquets formant des fils disposés parallèlement les uns par rapport aux autres, et le plus près possible les uns des autres, de sorte que les mailles du tissu, avant l'emboutissage, soient les plus petites possibles. La figure 4b possède trois parties A, B, C distinctes montrant respectivement la position relative des seconde 16, troisième 17 et quatrième 18 couches par rapport à la première 15. En réalité, les quatre couches sont superposées. Sur cette figure 4b, on constate donc que les première et seconde couches forment la trame et la chaîne du tissu, alors que les troisième 17 et quatrième 18 forment deux diagonales, et la figure 5 montre la répartition relative de chacune des couches, et donne une idée d'ensemble du tissu achevé. Selon l'utilisation souhaitée, on détermine par avance les angles optimum entre les fibres des diverses couches, et on choisit ou prépare le tissu en conséquence. Les figures 6a et 6b montrent comment la cohésion du tissu est assurée pendant l'emboutissage. En tous les points où quatre paquets 151, 161, 171, 181 de fibres é4émentaires d'une même couche sont superposés, on les lie à l'aide d'une boucle 19, 20 .réalisée par deux fils 21, 22 se croisant entre deux séries 151, 161, 171, 181 et 152, 162, 172, 182 de quatre paquets de fibres superposees. Afin de parfaire la cohésion et de rendre le tissu indémaillable, de préférence à chaque croisement des fils 21, 22 on prévoit que l'un des deux fait un tour mort 23, 24 autour de l'autre. L'invention n'est pas liée aux seuls modes de mise en oeuvre décrits, mais bien entendu à tous sieurs équivalents. Elle est par exemple applicable tout particulièrement à la réalisation de pièces dont les fibres sont à base de carbure de silicium. Elle permet en outre, ce qui est un avantage, d'obtenir de grands rapports d'emboutissage, c'est-à-dire un grand rapport entre la profondeur et le diamètre de la partie emboutie, et d'une façon plus générale entre la profondeur et les dimensions de la base de la partie emboutie. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser des pièces en matériau composite à base d'un tissu (3) constitué d'au moins deux couches (15, 16, 17, 18) unidirectionnelles, superposées, de fibres libres les unes par rapport aux autres, orientées dans un sens différent d'une couche à l'autre, et maintenues à l'aide d'un fil de liaison, caractérisé en ce qu'il consiste à emboutir le tissu (3) dans une matrice (1) à l'aide d'un poinçon (2), tout en exerçant une tension contrôlée sur chacune des fibres à la périphérie du bord du creux de la matrice, avant d'imprégner la pièce à l'aide de la quantité de résine (9) ou de liant nécessaire à la cohésion de la pièce finie, tout en maintenant la tension contrôlée sur les fibres, puis à comprimer l'ensemble formé par la résine ou le liant et le tissu entre la matrice (1) et le poinçon (2), de façon à dégazer la résine par laminage, tout en contrôlant la positon relative du poinçon et de la matrice, de façon à stopper le mouxerlent du poinçon lorsque ladite position relative est telle que l'épaisseur souhaitée de la pièce est obtenue, puis à polymériser la résine en portant la matrice et/ou le poinçon à une température suffisante, et à démouler la pièce finie après l'avoir laissé refroidir, ainsi que la matrice et/ou le poinçon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à emboutir le tissu (3) dans une matrice (1) à l'aide d'un poinçon (2), tout en exerçant une tension contrôlée sur chacune des fibres à la périphérie du bord du creux de la matrice, à stopper le mouvement du poinçon juste avant que le tissu ne se trouve comprimé entre le poinçon et la matrice, à injecter entre le poinçon et la matrice, dans l'espace occupé par le tissu, une quantité de liant ou de résine (9) nécessaire à la cohésion de la pièce, à comprimer l'ensemble formé par la résine et le tissu en reprenant le mouvement du poinçon, de façon à dégazer la résine (9) par laminage tout en contrôlant la position relative du poinçon (2) et de la matrice, puis à polymériser la résine en portant la matrice et/ou le poinçon à une température suffisante, et à ressortir la pièce finie après avoir laissé refroidir la pièce ainsi que la matrice et/ou le poinçon. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on détecte l'instant où la quantité de résine nécessaire a été injectée, avant de comprimer la résine et le tissu, et de polymériser la résine. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une quantité de résine (9) au fond de la matrice (1), puis à faire descendre le poinçon (2) en exerçant une tension contrôlée sur les fibres du tissu, pour l'emboutir, à continuer la descente du poinçon (2) lorsque le tissu est au contact de la résine pour comprimer le tout, de façon à faire remonter la résine vers les bords de la matrice et à dégazer le tout par laminage, et en ce qu'il consiste à effectuer la polymérisation et le démoulage après avoir correctement placé la matrice et le poinçon l'un par rapport à l'autre, de façon à obtenir l'épaisseur souhaitée de la pièce finie, et après avoir constaté que la quantité de résine est suffisante. 5. Prccédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, la quantité de résine (9) étant insuffisante, on injecte (8) un complément avant d'effectuer la compression en vue du dégazage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à emboutir un tissu (3) constitué de quatre couches unidirectionnelles de fibres continues, une première couche (15) formant la trame du tissu, la seconde (16) formant la chaîne et les deux autres (17, 18) formant deux diagonales dont les fibres de chacune peuvent faire un angle quelconque entre elles et avec les deux premières. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres de chaque couche du tissu (3) sont regroupées par paquets et en ce qu'en chaque point de la surface où quatre paquets (151, 161, 171, 181) de fibres sont superposés, est disposée une boucle (19, 20) indémaillable de liaison. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une boucle est réalisée par deux fils (21, 22) se croisant entre deux séries de quatre paquets de fibres superposées. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matrice (1) et/ou le poinçon (2) sont préchauffés avant l'injection et/ou la compression de la résine ou du liant. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice (1) creuse, un poinçon (2), des moyens (4, 5) pour assurer une pression contrôlée de part et d'autre du tissu (3) autour des bords du creux de la matrice, et des moyens de chauffage de la matrice (1) et/ou du poinçon (2). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens (4, 5) pour assurer une pression contrôlée sont un serreflan constitué par au moins deux machoires (4, 5) pouvant se rapprocher relativement l'une de l'autre. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une canalisation (8) pour injecter la résine (9) ou le liant, et un !positif (10) d'injection. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une gorge de détente (11, 14) sur la matrice (1) et/ou le poinçon (2) et/ou au moins un évent (9) entre le poinçon et une machoire (5). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter la stabilisation ou la chute de pression d'injection lorsque le liant ou la résine arrive dans une gorge de détente, des moyens pour stopper l'injection à ce moment, et des moyens pour commander la compression et la mise en route des moyens de chauffage. 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de rainurages sur la matrice (1) et/ou le poinçon (2) pour favoriser la diffusion de la résine (9) ou du liant. 16. Pièce en matériau composite à base de fibres continues et d'un liant en résine synthétique, caractérisé en ce qu'elle est réalisée en mettant en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 9.