Brevet FR2600936A1 — publié le 19880108

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA REALISATION DE PREFORMES POUR PIECES EN MATERIAUX COMPOSITES. La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant la réalisation de préformes destinées à constituer la structure de renfort de pièces en matériaux composites. Pour réaliser des pièces en matériaux composites, on connatt des procédée à grande cadence utilisant une presse d'injection haute pression. Un tel équipement est onéreux, et n'est pas compatible avec des séries moyennes ou petites. Dans les procédés connus utilisés pour les séries moyennes ou petites, on relise une injection basse pression entre un moule et un contre moule. On habille préalablement le moule d'une couche de matériau fibreux, par exemple de fibre de verre ; la fibre de verre doit dépasser du moule. Ensuite on injecte la résine. Toutefois un tel procédé classique présente des inconvénients importants, et en particulier produit un gaspillage non négligeable de résine et de fibre de verre la partie en fibre de verre dépassant des moules et contre moules est perdue ; par ailleurs cette partie dépassante produit des fuites de résine qui tend à s'écouler à ltextérieur du moule. Après moulage, il est nécessaire de détourer la pièce. Une telle opération est difficile, car la résine est durcie et nécessite l'usage d'outils coûteux.Les demandeurs ont constaté que les pièces présentant des angles sont difficiles à réaliser : les angles sont mal remplis par la couche en fibre de verre, car le verre est élastique, et tend, au niveau des angles, à affleurer lorsque la pièce définitive est réalisée. Selon l'invention, on réalise, à partir de flans de dimensions appropriées, des préformes en fibres, ctest-à-dire des structures de renfort destinees à la fabrication des pièces en matériaux composites. Ces préformes en fibres sont ensuite combinées par moulage, enrobage ou tout autre procédé, à un liant répartissant les efforts et protégeant les fibres. L'invention permet de réaliser des préformes présentant une forme bien définie, adaptée à chaque pièce à réaliser. L'invention permet également de réaliser des préformes présentant une répartition de matière bien définie, par exemple une épaisseur bien contrôlée selon toute leur surface. Selon l'invention, la matière fibreuse formant structure de renfort peut être par exemple un mat de verre, un tissu de fibres de verre, un tissu de fibres aramides, un tissu de fibres de carbone, etc..., les fibres étant imprégnées d'un liant présentent un comporte ment thermoplastique. On utilise par exemple un mat de verre tel que le produit UNIFILO U 750 fabriqué et distribué par la Société SAINT-GOBAIN. Ce produit est un feutre de fibres de verre E à fils continus disposés selon une loi prédéterminée en couches multiples et agglomérés par un liant à solubilité moyenne dans le styrène ou autres monomères, le liant étant un polyester saturé soluble, présentant un comportement thermoplastique. La préforme peut être aisément détourée après préformage et avant moulage, ce qui évite les pertes de liant. Selon un autre objet de l'invention, le dispositif permet un maintien adéquat du flan avant et pendant le préformage, au plus près du bord de la préforme à réaliser, de sorte que les chutes de matière sont réduites su minimum. Selon un objet particulièrement important, l'invention assure un maintien réglable du pourtour du flan, permettant de repartir volontairement et de contrôler les déformations de la matière lors du préformage. On améliore ainsi considérablement le formage su niveau des angles, évitant l'apparition ultérieure de zones d'émergence des fibres en surface de la pièce définitive. On peut ainsi réaliser des pièces de formes très variées et complexes, en améliorant leur solidité. Selon un autre objet de l'invention, le dispositif permet le formage de pièces de grande hauteur, par exemple de 60 à 80 centimètres, sans difficulté de chargement ou de déchargement. Le dispositif est en outre facile d'emploi, comportant un poste unique de chargement-déchargement, augmentant la rapidité d'utilisation et permettant l'automatisation. Le formage d'une structure de renfort utilisée pour des pièces en matériaux composites s'avère être délicat, car les réactions de la matière formant la structure de renfort sont particulières. Il faut alors prévoir des moyens particuliers et des phases opératoires particulières pour assurer#un formage adéquat. On effectue ce formage en permettant le glissement contrôlé des bords du flan, de sorte que la matière ne se forme pas uniquement ou principalement par étirement. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, le dispositif selon l'invention comprend trois postes de travail successifs, à savoir un poste de chargement-déchargement, un poste central de pressage, et un poste de chauffage. Le formage s'effectue dans une matrice inférieure portée par un chariot mobile entre le poste de chargement-déchargement et le poste de pressage. Il est ainsi très facile de démouler la préforme en la soulevant dans le poste de chargement-de'chargement, de sorte que l'on peut former des pièces de grande hauteur sans être gênés par le débattement vertical. En outre cette disposition est favorable à une automatisation, et l'utilisateur n'a pas à se déplacer entre le chargement et le déchargement. Selon une autre caractéristique, le flan est tendu sur un cadre porté par un chariot de transfert mobile entre les trois postes de travail, le flan étant maintenu selon ses bords sur le cadre par des moyens d'accrochage assurant un décrochage automatique lors du pressage. Selon une caractéristique importante, des moyens de serrage assurent un serrage réglable et déterminé des bords du flan pendant le formage. Selon une autre caractéristique, les moyens de serrage sont conformés de manière à permettre un serrage non uniforme des bords du flan, assurant un glissement non uniforme de matière entre les moyens de serrage pendant le formage. Selon une autre caractéristique, les moyens de serrage sont commandes par des moyens de commande permettant de faire varier et de contrôler la force de serrage pendant le formage, pour définir plusieurs phases successives au cours desquelles le serrage et le glissement de matière peuvent être différents. Le dispositif comprend des moyens pour répartir de manière réglable la pression de serrage des bords du flan pendant le formage la matrice inférieure comporte un rebord périphérique définissant une ligne plane dont le profil entoure la forme de la pièce à obtenir ; le poste de pressage comprend un cadre de serrage mobile verticalement et comportant des patins de serrage élastiques indépendants et amovibles, répartis sur son pourtour en regard du rebord périphérique de matrice inférieure, les patins étant munis de moyens de réglage de la pression de serrage, pour serrer le pourtour du flan contre le rebord périphérique de matrice inférieure.Cette disposition permet des réglages souples du maintien de pourtour du flan, de aorte que l'on peut tenir certaines zones très rigidement alors que dd'autres zones sont serrées moins fort, favorisant leur glissement entre les patins et le rebord périphérique de matrice inférieure lors du pressage. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa- tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - les figures 1 à 4 représentent une vue de côté du dispositif de l'invention dans les différentes phases successives de fonctionnement - la figuré 5 est une vue en coupe transversale selon l'axe A-A de la figure 2 ; - les figures 6 à 9 illustrent, en vue de côté, le serrage des bords périphériques et le glissement du flan pendant le pressage ; - la figure 10 représente, en vue de dessus, un mode de répartition des patins de serrage ; - la figure 11 illustre un mode de réalisation du cadre de pressage ; et - les figure 12 et 13 représentent un mode de réalisation des patins de serrage. Comme le représentent les figures 1 à 4, le dispositif selon l'invention comprend généralement trois postes de travail, un premier poste 1 de chargement-déchargement, un second poste central 2 de pressage, un troisième poste 3 de chauffage. Un bâti inférieur 4 supporte deux rails horizontaux latéraux 5 et 6 de guidage, mieux visibles en coupe transversale sur la figure 5, longeant les trois postes de travail, et quatre rails verticaux tels que les rails 7 et 8 représentés sur les figures, délimitant les quatre angles du poste de pressage 2. Le formage s'effectue dans une matrice inférieure 9 dont la surface supérieure a la forme de la surface extérieure de la pièce à réaliser. La matrice inférieure 9 est portée par un chariot 10 mobile entre le poste de chergementaéchargement et le poste de pressage. Le chariot 10 est muni de galets roulant sur des rails inférieurs. Dans le poste de chargement 2, le chariot 10 a sa position fixée par des moyens de verrouillage rétractables. On peut, par exemple, prévoir un verrouillage au moyen d'un vérin à course verticale, solidaire du poste de pressage, actionnant une tige venant s'engager dans un logement correspondant du chariot 10. Dans le poste de chargement-déchargement 1, l'accès à la matrice 9 est ouvert par le haut, pour l'enlèvement de la préforme. Le dispositif comprend en outre un chariot de transfert 11, mobile entre les trois postes de travail, et comportant des galets roulant sur les rails horizontaux 5 et 6. Le chariot de transfert 11 a une forme de cadre à intérieur libre pour le passage du flan 13 et du poinçon de presse. Il comprend des moyens d'accrochage pour maintenir le flan 13 selon ses bords, les moyens d'accrochage étant susceptibles de lacher prise sous l'action d'une traction suffisante du mat de verre. Par exemple on peut utiliser avec succès des picots 12 répartis sur le pourtour supérieur du chariot de transfert, les picota 12 pénétrant dans les fibres du flan 13 et permettant de tenir suffisamment le flan en position sensiblement horizontale sans toutefois s'opposer à la déformation du flan lors du pressage. Un résultat similaire peut être obtenu par des pinces élastiques dont la raideur est convenablement choisie. ta tenue assurée par le chariot de transfert doit être suffisante pour maintenir le flan 13 pendant ~son transfert du poste de chargementdéchargement jusque dans le poste de chauffage, puis jusqu'au poste de pressage. Par la suite, le maintien est assuré par d'autres moyens.Dans le poste de pressage, la position du chariot de transfert est également fixée par des moyens de verrouillage, non représentés sur la figure, et par exemple similaires à ceux utilises pour le blocage du chariot de matrice 10. Dans le poste de chauffage 3, on dispose deux séries de résistances électriques tubulaires 40 et 41, respectivement au-dessus et au-dessous de la zone parcourue par le chariot de transfert et le flan. Les resiatances électriques sont choisies de préférence pour émettre un rayonnement infrarouge de longueur d'onde voisine de trois microns. Les résistances électriques sont commandées par une alimentation électrique à temporisation, dont la durée est choisie pour assurer le chauffage du flan à une température comprise entre cent vingts et cent trente degrés Ceîsius. Le poste de pressage comprend une presse verticale formée d'un plateau 14 coulissant selon ses quatre coins sur les rails verticaux tels que les rails 7 et 8, et commandé par un vérin à vis 15. Le plateau 14 comporte des moyens de fixation pour l'accrochage, en face infé rieure, d'un poinçon 16 dont la forme reproduit la forme intérieure de la pièce à obtenir. Le plateau 14 de la presse est mobile entre deux positions extrêmes, une position relevée, représentée sur les figures, laissant le libre passage au chariot de transfert, et une position abaissée dans laquelle le plateau vient porter contre des butées réglables.Compte tenu des dimensions relativement importantes du dispositif, un moyen de commode de réaliser les butées réglables est d'utiliser des cales calibrées empilées, par exemple aux quatre coins du poste de pressage, sur lesquelles vient reposer le plateau en fin de pressage. Le réglage des cales permet de définir, en fin de course de pressage, un entrefer entre la matrice inférieure 9 et le poinçon 16, entrefer que l'on choisit sensiblement égal à l'épsisseur de la pièce que l'on voudra réaliser par moulage ultérieur de la préforme. Le poste de pressage comprend un cadre de serrage 17, mobile verticalement le long des guides verticaux tels que les guides 7 et 8, et actionné par des vérins latéraux 18 et 19. Le cadre de serrage supporte, en face inférieure, des patins de serrage 20 indépendants et amovibles, comportant chacun des moyens de réglage de pression de serrage. La matrice inférieure 9 comporte un rebord périphérique 21 définissant une ligne située dans un meme plan horizontal, présentant un profil légèrement plus grand que la forme de la pièce à obtenir. Le cadre de serrage 17 comprend des moyens de fixation réglables pour le positionnement et le maintien d'une série de patins de serrage que l'on dispose en regard du rebord 21 de la matrice inférieure 10. Le cadre de serrage est mobile verticalement entre une position élevée, laissant le libre passage pour le chariot de transfert 11, et une position abaissée dans laquelle les patins de serrage 20 pincent le pourtour du flan 13 contre le rebord 21 de la matrice inférieure. Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 10 et 11, les patins de serrage 20 sont fixés sur un cadre secondaire 22, luimême solidarisé au cadre de serrage 17, le cadre secondaire 22 présentant un contour conforme au pourtour de la matrice inférieure 9. Les figures 12 et 13 représentent un mode de réalisation des patins de serrage. Dans ce mode de réalisation, les patins sont formes d'une longueur de quelques centimètres d'un tube 23, longueur déterminée suivant l'utilisation, et en particulier suivant le contour plus ou moins pertubé de la pièce à réaliser. Le tube 23 est solidarisé à une pièce coulissante 24 logée dans un alésage 25 d'un corps 26 muni d'une platine 27 de fixation au cadre presseur. Par exemple la platine 27 est munie de trous 28 pour une fixation par boulonnage. La pièce coulissante 24 est actionnée par une vis 29 traversant un alésage supérieur 30 du corps 26, et tourillonnant dans un écrou 31 carré bloqué en rotation par au moins une face intérieure du corps 26, et coulissant librement dans le corps.La vis 29 et l'écrou 31 sont repoussés vers la pièce coulissante 24 au moyen d'un ressort de compression 32. La course de la pièce coulissante 24 est limitée par une collerette 33 venant buter, en fin de course, contre un épaulement de l'alésage 25. Par rotation de la tête 35 de vis 29, on bande plus ou moins le ressort 32, et on règle ainsi la pression exercée par le patin lorsque le cadre de serrage 17 est abaissé. Selon un autre mode de réalisation, l'actionnement des patins peut être assuré par des vérins hydrauliques automstisables et programmables, alimentés par un fluide dont la pression commande la force de serrage exercée par chaque patin. Cette disposition est particulièrement importante pour réaliser des pièces de formes complexes. En effet, pendant l'opération de formage, les patins laissent glisser de manière contrôlée les bords du flan pour suivre la traction de matière imprimée par le poinçon. Grâce à la présence des vérins, le contrôle du glissement peut être complet, et notamment : - on peut serrer les bords de manière non uniforme selon le pourtour du flan, - certaines portions au moins du flan peuvent être serrées de manière variable dans le temps pendant le formage, définissant des phases succesasives au cours desquelles les glissements de matière sont différents, notamment en fonction de la position du poinçon. Le poste de refroidissement comprend en outre des moyens de génération d'air frais, et des canalisations d'amenée d'air sur toute la surface de la matrice inférieure 9. L'air permet le refroidissement du flan après formage. Pour éviter l'usure du rebord de la matrice inférieure 9, on interpose des réglettes métalliques 34 sur la face supérieure du rebord, et contre lesquelles vient porter le flan lors de la pousses des patins de serrage. Le fonctionnement du dispositif est le suivant La position initiale est représentée sur la figure 1. Le chariot de matrice 10 porte la matrice inférieure 9, et est disposé dans le poste de chargement-déchargement 1. Le chariot de transfert il est également disposé dans le poste de chargement-déchargement, au-dessus de la matrice 9. On accroche le flan 13 au cadre du chariot 11 de transfert, su moyen des picots 12 périphériques. Le flan est préalablement découpé à une dimension légèrement supérieure è celle de la pièce à obtenir. Le chariot de matrice 10 et le chariot de transfert 11 sont alors trånsférés dans le poste de pressage 2, et le chariot de transfert 11 poursuit son chemin jusque dans le poste de chauffage 3. On alimente les résistances pour assurer un chauffage uniforme du flan 13 jusque une température comprise entre cent vingts et cent trente degrés. On ramène alors le chariot de transfert 11 dans le poste de pressage ; on abaisse le cadre de serrage 17. Comme le représentent les figures 6 et 7, les patins de serrage 20 provoquent une première déformation périphérique du flan 13. Au cours de cette déformation, le flan quitte progressivement les picots 12. Après serrage par le cadre de serrage, on abaisse progressivement le poinçon 16 par actionnement du vérin 15 de presse, jusqu'a ce que le plateau 14 vienne en butée contre les cales réglables, laissant entre le poinçon 16 et la matrice inférieure 9 un entrefer égal à l'épaisseur désirée de la pièce à réaliser. Les figures 8 et 9 illustrent la déformation et le glissement progressifs du flan, entrainé par le poinçon et retenu par les patins. Pendant le mouvement du poinçon, la pression exercée par les patins de serrage peut être modulée par des moyens de commande agissant sur les vérins d'actionnement des patins, augmentant ou diminuant le glissement des bords du flan dans certaines zones choisies en fonction de la forme de la pièce à réaliser. On refroidit le flan par une circulation d'air frais, insufflé selon la surface de la matrice inférieure 9, puis on relève le plateau 14, on ramène le chariot de matrice et éventuellement le chariot de transfert 11 au poste de chargement-déchargement 1, pour le déchargement de la préforme. On commence alors le cycle suivant. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la réalisation de pièces en matériaux composites, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - préformer un flan comportant des matières fibreuses, destiné à constituer la structure de renfort de la pièce, pour lui conférer la forme de la pièce à réaliser, - combiner la préforme avec un liant durcissable. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étspe au cours de laquelle on moule à chaud et sous pression le flan entre une matrice et un poinçon tout en maintenant les bords du flan par des moyens de serrage réglables, permettant un glissement contrôlé des bords du flan sous l'action de la traction exercée par le poinçon. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le formage s'effectue à une température comprise entre cent vingt et cent trente degrés Celsius. 4 - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les bords du flan sont serrés par les moyens de serrage de manière non uniforme selon le pourtour du flan. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que certaines portions au moins des bords du flan sont serrées de manière variable dans le temps. 6 - Dispositif pour la réalisation de préformes à partir d'un flan (13) par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend - une matrice inférieure (9) comportant un rebord périphérique (21) définissant une ligne située dans un plan horizontal et présentent un profil entourant la forme de la pièce à obtenir - un poste de pressage (2) comportant un cadre de serrage (17) mobile verticalement, actionné par des vérins (18, 19), et portant des patins de serrage (20) indépendants et amovibles, répartis sur le pourtour en regard du rebord périphérique de matrice inférieure, les patins de serrage étant munis de moyens de réglage de la pression de serrage, pour presser le pourtour du flan contre le rebord périphérique (21) de matrice inférieure (9). 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de production d'air frais et des canalisations pour insuffler l'air frais dans le poste de pressage selon la surface de la matrice inférieure. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend trois postes de travail successifs, à savoir un poste de chargement-déchargement (1), un poste central de pressage (2), et un poste de chauffage (3). 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la matrice inférieure (9) est portes par un chariot (10) mobile entre le poste de chargement-déchargement (1) et le poste de pressage (2). 10 - Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le flan (13) est tendu sur un cadre porté par un chariot de transfert (11) mobile entre les trois postes de travail, le flan étant maintenu selon ses bords sur le cadre par des moyens d'accrochage (12). 11 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les patins de serrage (20) amovibles sont fixés sur un cadre secondaire (22) solidaire du cadre de serrage (17?, et présentant une forme conforme au pourtour de la matrice inférieure (9). 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un poinçon (16), monté sur un plateau (14) de presse, et présentant une forme sensiblement identique à la surface intérieure de la pièce à obtenir, le poinçon définissant, avec la matrice inférieure (9) en fin de pressage, un entrefer sensiblement égal à l'épaisseur de la pièce à obtenir, la course de la presse étant limitée par des butées réglables formées de cales empilées. 13 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les patins de serrage sont actionnés par des vérins automatisables et programmables. 14 - Dispositif selon l'une quelconque# des revendications 6 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des réglettes (34) posées sur le rebord de la matrice, pour assurer se protection.