Brevet FR2613662A2 — publié le 19881014

FR 2613662 A2 19881014 FR 8705107 A 19870410 PROCEDE DE RÉALISATION PAR DIBOUTISSAGE DE PIECES EN MATERIAÜX COMPOSITES ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention concerne un procédé de réalisation par emboutissage de pièces en matériaux composites et un dispositif pour sa mise en oeuvre. Bien entendu, elle s'applique également aux pièces obtenues par la mise en oeuvre du procédé. De plus en plus de pièces sont réalisées en matériaux composites à base d'un liant en résine synthétique recevant des fibres continues. La résine est soit thermoplastique, soit thermodurcissable, et les fibres sont à base de verre, de carbone ou d'un mélange de divers matériaux. On connaissait jusqu'alors divers procédés pour réaliser des pièces en matériaux composites présentant des reliefs particuliers, en particulier la technique de l'emboutissage d'une superposition orientée de couches unidirectionnelles de fibres préimprégnées de résine, avant la polymérisation de la résine. Cette technique 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 fibres préimprégnées provoque des contraintes élevées sur les fibres lors de l'emboutissage, qui peuvent entrainer leur rupture . La Demande de Brevet principal n 86 13007 déposée le 17 Septembre 1986 su nom de la Demanderesse a pour objet de remédier aux inconvénients en proposant un nouveau procédé d'emboutissage, selon lequel on emboutit 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 par un fil de liaison. L'emboutissage du tissu est effectué à l'aide d'un poinçon dans une matrice, tout en exerçant une tension contrôlée sur chacune des fibres à la périphérie du bord du creux de la matrice, avant d'imprégner le tissu 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 l'ensemble formé par la résine ou le liant et le tissu est comprimé pour dégazer la résine, tout en contrôlant la position relative du poinçon et de la matrice, et le mouvement du poinçon est stoppé lorsque ladite position relative est telle que l'épaisseur souhaitée de la pièce est obtenue, puis la résine est polymérisée en chauffant le poinçon et/ou la matrice, et enfin la pièce est démoulée après refroidissement. Le mode de mise en oeuvre préféré, décrit dans cette demande prévoit que la compression après l'imprégnation est effectuée en continuant le mouvement du poinçon dans la matrice. Cette solution permet dans tous les cas une bonne compression en extrémité de poinçon, au fond du creux de la matrice, mais ne permet pas dans tous les cas une compression correcte entre les bords du poinçon et les bords de la matrice, principalement lorsque lesdits bords sont presque parallèles à l'axe de déplacement du poinçon, puisque dans ce cas, il n'existe qu'un rapprochement relatif faible entre les bords du poinçon et de la matrice . Dans le cas particulier où les bords du poinçon et ceux de la matrice, ou tout au moins des portions desdits bords sont parallèles entre eux, il n'existe alors plus aucun rapprochement relatif et donc aucune compression n'a lieu. La présente addition apporte à l'objet de la Demande de Brevet principal des perfectionnements qui remédient à ses inconvénients et améliorent son fonctionnement dans tous les cas. Conformément à la présente addition, un procédé pour réaliser des pièces en matériaux composites selon la revendication 1 du Brevet principal, est caractérisé en ce qu'il consiste à augmenter l'ensemble du volume du poinçon à l'intérieur de la matrice pour comprimer, entre le poinçon et la matrice, l'ensemble formé par le tissu et la résine ou le liant, tout en contrôlant cette augmentation de volume de façon à la stopper lorsque l'épaisseur souhaitée de- la pièce est obtenue, entre la fin de la phase d'emboutissage et la fin de la phase de polymérisation. L'invention est donc particulièrement avantageuse puisqu'elle permet une compression avant polymérisation en tous points de la pièce, de sorte que l'épaisseur souhaitée est obtenue partout. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront avec la description qui suit, faite en regard de la figure unique annexée qui représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Le dispositif représenté sur cette figure unique 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 l'exemple, l'ouverture de la matrice 1 est vers le haut, et le tissu est placé-au-dessus de cette ouverture. D'autre part, le dispositif comporte des moyens de serrage du tissu 3, afin de permettre sa tension contrôlée lors de l'emboutissage et de la polymérisation du liant ou de la résine. De préférence, ces moyens de serrage sont constitués par un serre-flan 4,5 dont une première mâchoire 4 entoure par exemple l'ouverture de la matrice et dont l'autre 5 est alors mobile comme le montrent les flèches 6, 7, de façon à pouvoir serrer le tissu contre la première. Bien entendu, d'autres moyens de serrage peuvent être envisagés qui permettent d'accomplir la même fonction lors de l'emboutissage. 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, par l'intermédiaire d'une pompe non représentée. De préférence, la matrice est également pourvue de gorges de détente 11, situées dans l'exemple autour de son ouverture, qui se remplissent lorsque le tissu est complètement imprégné de résine ou de liant, permettant de détecter que la quantité nécessaire de résine est présente. Conformément à la présente addition, l'ensemble . du volume du poinçon 2 peut être augmenté comme le montrent des flèches 12,13,14,15 sur la figure. Cette augmentation de volume est déclenchée lorsque le tissu est totalement embouti, et après que la résine ait été mise en place. La figure annexée représente le dispositif après le poinçon 2 ait commencé à emboutir le tissu 3, mais avant que le tissu soit imprégné de résine, et donc avant l'augmentation de volume. Cette figure illustre l'application de la présente addition à la seconde variante du procédé de la Demande de Brevet principal, selon laquelle une certaine quantité de résine 9 ou de liant est mise su fond de la matrice 1 avant que l'emboutissage ne soit terminé, de façon que lorsque le tissu 3, entraîné par le poinçon 2 dans la matrice 1, arrive su contact de la résine 9, celle-ci remonte sous l'effet de la pression le long des bords et imprègne la totalité du tissu. La présente addition est également applicable dans le cas où la résine 9 n'est pas présente en fond de matrice 1 avant l'emboutissage, mais est injectée à la fin de cette phase. La résine remonte alors le long des bords sous l'effet de la pression d'injection produite par la pompe non représentée, et imprègne le tissu. La compression du tissu et de la matrice après imprégnation est obtenue en augmentant le volume du poinçon, dès lors que la quantité de résine nécessaire est en place. La détection que la quantité nécessaire de résine est en place s'effectue, de préférence conformément à la demande principale, grgce aux gorges de détente 11. Dans un mode de réalisation d'un dispositif , le poinçon 2 est expansible de manière réversible, et l'expansion est obtenue à l'aide de moyens mécaniques tels que vis, leviers, vérins ou tout autre moyen connu en soi permettant d'augmenter le volume extérieur d'une structure. Dans ce cas, l'intérieur du poinçon est creux, et pourvu desdits moyens, et l'extérieur est constitué par une enveloppe sur laquelle agissent lesdits moyens . Ainsi, par exemple, les moyens peuvent agir sur des lamelles métalliques qui sont agencées pour donner une forme générale au poinçon, et qui sont recouverts par une enveloppe élastique en forme de chaussette constituée dans un matériau résistant à la température de polymérisation. Cette enveloppe évite que d'une part l'empreinte des lamelles apparaisse sur la pièce finie, et que d'autre part la résine se répande à l'intérieur du poinçon. Ce dispositif expansible est tout particulièrement adapté dans les cas où la polymérisation a lieu à froid ou à basse température, c'est-à-dire par exemple dans les cas où la polymérisation est amorcée à froid à l'aide d'un catalyseur. Une telle opération de polymérisation est généralement exothermique, de sorte que le poinçon et la matrice sont chauffés pendant la polymérisation . Pour les cas où la polymérisation s'effectue à chaud, la matrice et/ou l'intérieur du poinçon sont pourvus d'éléments chauffants qui permettent d'amener la résine ou le liant à la température de polymérisation. Afin de faciliter le démoulage, que la polymérisation s'effectue à froid ou à chaud, le poinçon est ramené à son volume d'origine après la polymérisation. Ce mode de réalisation est cependant coûteux et difficile à mettre au point, et c'est pourquoi, dans uns mode de réalisation préféré d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, dans les cas où la polymérisation s'effectue à chaud, le poinçon 2 est dans un matériau qui possède un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la matrice 1, et à la fois la matrice et le poinçon sont pourvus d'éléments chauffants, non représentés, pour le préchauffage de la résine pendant l'imprégnation et pour obtenir la température de polymérisation de la résine. Les éléments chauffants sont. par exemple des résistances électriques disposées dans le poinçon et autour du creux de.la matrice, dans la masse. . La compression après imprégnation s'obtient dans ce cas en dilatant le poinçon 2 dans la matrice 1, de sorte qu'il existe un rapprochement relatif entre ces deux éléments, qui de plus entraîne une tension complémentaire des fibres. La dilatation débute dès la phase de préchauffage et continue pendant la polymérisation, en mettant en service les éléments chauffants. Le contrôle de la dilatation est possible puisqu'on connait les constantes physiques du poinçon et de la matrice, ainsi que les durées et températures de préchauffage et de polymérisation. Plus précisément on détermine les matériaux constitutifs du poinçon et de la matrice, ainsi que leurs dimensions à froid en connaissant les températures et la durée des phases de chauffage auxquelles ils seront soumis, de façon à contrôler la compression. Ainsi, dans un mode de réalisation, le poinçon est dans un alliage léger, par exemple à base d'aluminium, dont le coefficient de dilatation thermique est de l'ordre de 23.10 6 m/ C et la matrice est en fonte ou dans un acier dont le coefficient de dilatation est de l'ordre de 11.10-6 m/ C. Donc, après le poinçon ait totalement embouti le tissu 3 dans la matrice 1, les éléments chauffants du poinçon et de la matrice sont mis en service, de sorte que le poinçon se dilate à l'intérieur de la matrice, provoquant un essorage du tissu et une compression complémentaire, et la polymérisation est alors effectuée conformément à la Demande de Brevet principal. Il est souhaitable que le poinçon et la matrice soient simultanément aux mêmes températures, afin d'éviter un gradient de température au travers du tissu et de la résine qui nuirait A la qualité de la pièce finie. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car Il est peu coûteux et évite d'avoir recours à la réalisation d'un poinçon déformable mécaniquement. Par ailleurs, la dilatation a lieu dans toutes les directions, de sorte qu'il n'existe pas de zone privilégiée, alors qu'un dispositif mécanique est imparfait et ne peut pas être contrôlé dans toutes les directions. De plus, connaissant les constantes physiques des matériaux et les températures, iI est aisé de déterminer quelle sera l'augmentation de volume du poinçon, et donc quelle sera l'épaisseur de la pièce. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de pièces en matériaux composites, par emboutissage d'un tissu, avant imprégnation par une résine ou un liant, selon la revendication 1 . du Brevet principal, caractérisé en ce que la compression entre le poinçon (2) et la matrice (1) de l'ensemble formé par la résine (9) ou le liant et le tissu (3), est obtenue en augmentant de façon contrôlée l'ensemble du volume du poinçon (2) à l'intérieur de la matrice entre la fin de la phase d'emboutissage et la fin de la phase de polymérisation. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice (1), au moins un serre-flan (4,5) pour contrôler la tension du tissu (3) lors de l'emboutissage, et un poinçon (2) expansible de façon réversible à l'intérieur de la matrice. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le poinçon (2) possède une paroi externe déformable à l'aide de moyens mécaniques . 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le poinçon (2) est creux et en ce que les moyens mécaniques sont à l'intérieur du creux, et sont liés à la paroi externe. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens mécaniques sont choisis parmi les vis, leviers ou vérins et en ce que la paroi externe est constituée d'éléments distincts tels que des lamelles sur lesquelles les moyens mécaniques agissent. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la paroi externe est revêtue d'une enveloppe élastique en un matériau résistant à la température de polymérisation . 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la matrice (1) et/ou le poinçon (2 ) sont pourvus d'éléments chauffants, tels que des résistances électriques . 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le poinçon (2) et la matrice (1) sont pourvus d'éléments chauffants, et en ce que le poinçon (2) est dans un matériau possédant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la matrice, de sorte que la compression est obtenue par la dilatation du poinçon (2) lors de la mise en service des éléments chauffants. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le poinçon (2) est dans un alliage léger. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice est dans un matériau choisi parmi les aciers ou la fonte.