Brevet FR2630464A1 — publié le 19891027

-- I -- La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de préimprégner des éLéments de renfort, teLs des fibres, des tissus ou des tresses avant de Les utiliser dans la confection des matériaux composites pour les pièces que l'on veut réaliser. Comparée à L'imprégnation (en continu) des éLéments de renfort, que L'on réaLise-juste avant la mise en oeuvre des pièces composites à fabriquer, la préimprégnation permet notamment de réduire la quantité de bulles incLuses dans les pièces, de diminuer les effilochages des éléments de renfort, d'accroître le nombre des éléments de renfort pouvant être simultanément mise en oeuvre pour la fabrication des pièces, et d'augmenter La cadence de fabrication des pièces composites. D'une façon plus particulière, la présente invention propose une amélioration du procédé et du dispositif de préimprégnation des éléments de renfort, avec une substance stabitisable telle une résine liquide thermodurcissable. Les techniques antérieures de préimprégnation d'éléments de renfort consistent par exemple à faire pénétrer sous pression la substance, mais la pénétration n'est pas homogène et des gaz, tels de l'air ou de la vapeur d'eau, sont dissous. - 2 - Une amélioration de cette méthode selon l'art antérieur, consiste à abaisser la viscosité de la substance en diluant la substance avec un solvant avant l'imprégnation et en enlevant par évaporation ce solvant une fois les éléments imprégnés. Cette dernière méthode conduit ainsi à une qualité de préimprégnation apparemment satisfaisante mais il n'est pas possible d'éliminer totalement le solvant utilisé lors de la préimprégnation. Lors de la cuisson du composite, après mise en forme, l'air et l'eau dissous lors d'une imprégnation sous pression, ou le solvant résiduel d'une imprégnation au solvant, se dégazent en créant une microporosité, alors que les produits préimprégnés fabriqués selon la présente invention, ne contenant ni gaz ni solvants dissous, sont, après cuisson, exempts de cette microporosité. Les pièces composites obtenues selon l'art antérieur n'ont pas les propriétés physiques et chimiques, telles les propriétés mécaniques (traction, compression, cisaillement...), optiques, d'homogénéité, auxquelles celles-ci pourraient prétendre et que la présente invention permet d'obtenir. Les fils utilisés pour la confection des élements peuvent par exemple être en carbone, en bore, en verre, en polyamide. L'invention fournit un procédé pour préimprégner avec une substance des éléments de renfort, tels des fibres, des tissus ou des tresses, les dits éléments de renfort étant utilisables pour réaliser un matériau composite. Ce procédé est notamment caractérisé en ce qu'il comporte la succession des étapes suivantes: - on place les éléments de renfort dans une enceinte, - on produit dans la enceinte un vide suffisant en intensité et en durée pour éliminer au moins la plus grande partie de l'eau et/ou de gaz présents dans les éléments de renfort, et - on introduit une quantité suffisante de la substance dans l'enceinte, de façon à ce que la substance recouvre encore les éléments une fois qu'ils ont été imprégnés. - 3 - On pourra dégazer sous vide ladite substance avant de l'introduire dans l'enceinte. On pourra utiliser ladite substance chaude. Après avoir introduit la quantité suffisante de la substance, on pourra maintenir l'enceinte sous vide. Apres avoir produit le vide dans l'enceinte et introduit la substance dans ladite enceinte en quantité suffisante pour que la substance recouvre encore lesdits éléments une fois qu'ils seront imprégnés, on pourra mettre l'enceinte sous pression. Lorsque l'on met l'enceinte sous pression, on pourra empêcher l'introduction de matière, telle des gaz ou de l'eau dans la substance imprégnant les éléments du renfort. Les éléments de renfort pourront être des fibres bobinées sur un mandrin et les spires de couches consécutives pourront se croiser-sous un angle au moins égal à 30 . Lorsque lesdits éléments de renfort sont des fibres bobinées sur un mandrin, le mandrin pourra être ajouré. L'invention fournit en outre un -dispositif pour préimprégner avec une substance des éléments de renfort, tels des- fibres de tissus. ou des tresses, lesdits éléments de renfort étant utilisables pou-r réaliser un matériau composite. Ce dispositif se caractérise notamment en ce qu'il comporte une enceinte adaptée à contenir les éléments et adaptée à réaliser le vide, des moyens de pompage du vide adaptés à éliminer au moins la plus grande partie de l'eau et/ou les gaz présents dans Les éléments de renfort, un orifice adapté à l'introduction de la substance. L'enceinte de ce dispositif pourra être adaptée à résister à une pression supérieure à la pression atmosphérique et ce dispositif pourra comporter des moyens permettant de mettre cette enceinte sous ladite pression. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront plus nettement à la lecture de la description qui suit, relative à un - 4 - exemple de préimprégnation d'éléments de renfort et illustrée par les figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 schématise le dispositif permettant la mise en oeuvre de la méthode, et - la figure 2 représente en détail le bobinage des éléments de renfort. Sur la figure 1, l'enceinte 1 de préimprégnation de la bobine 2 d'éléments de renfort comporte un corps 3 et un couvercle 4 obturant ce corps avec des moyens de fermeture 5. Ces moyens de fermeture sont suffisamment étanches et adaptés pour permettre d'obtenir le vide dans l'enceinte et pour mettre l'enceinte sous légère pression. Ces moyens peuvent par exemple comprendre une garniture d'étanchéité placée entre Le corps 3 et le couvercle 4 et des boulons à serrage rapide 6. Dans l'exemple représenté sur les figures, les fibres de renfort sont enroulées sur un mandrin 7 creux qui est maintenu sensiblement vertical dans l'enceinte 1. Ce mandrin 7 est ajouré par des Lumières 8 sensiblement uniformément réparties pour faciliter le dégazage correct des éLéments de renfort. L'enceinte 1 comporte un orifice inférieur. 10 situé sensiblement en dessous du niveau des éléments à imprégner, et par lequel la substance de préimprégnation est introduite ou enlevée. L'enceinte 1 comporte en outre un orifice supérieur 11 permettant de réaliser le vide ou une mise en pression de l'enceinte 1. Cet orifice supérieur 11 communique avec un espace 12 intérieur à l'enceinte qui n'est pas mouillé par la subtance d'imprégnation 13. L'existence de cet espace intérieur 12 permet notamment d'éviter que de la substance d'imprégnation ne remonte, par l'orifice supérieur 11, dans des moyens de pompage du vide. L'exemple non Limitatif suivant, relatif à la préimprégnation d'une bobine de fibres de verre de 2 kg, illustre une manière dont le procédé selon l'invention peut être mise en oeuvre. -5 La bobine 2 d'éléments de renfort étant disposée dans l'enceinte 1, on relie l'orifice 11 à des moyens de pompage du vide. Avec ces moyens de pompage, on abaisse suffisamment la pression dans l'enceinte pendant un temps suffisant, par exemple en réalisant une pression absolue de quelques milimètres de mercure, pendant un quart d'heure. De cette manière, on peut éliminer des substances générant des inclusions nuisibles à la fabrication de pièces composites, telles des bulles de gaz ou de vapeur d'eau absorbées ou adsorbées dans les éléments de renfort. Tout en maintenant le vide dans l'enceinte, on introduit lentement par L'orifice inférieur 10, une quantité suffisante de substance d'imprégnation préalablement dégazée et séchée de façon à ce qu'elle recouvre encore les éléments de renfort une fois qu'ils ont été imprégnés. Le dégazage et le séchage de la substance d'imprégnation peuvent être réalisés à l'aide d'un réservoir dans lequel on pratique le vide jusqu'à disparition totale de bulles. Par exemple, si la substance d'imprégnation est une résine à base de DGEBA (diglycidyléther du bisphénol A), le vide peut être de 2 à 3 torr pendant 30 minutes pour en dégazer et sécher 4 kg à 40 C. Après avoir introduit la substance 13 dans l'enceinte 1, on peut, soit maintenir l'enceinte sous vide, soit la porter à une pression voisine de celle de l'atmosphère, soit la porter à des pressions plus élevées. L'efficacité de la préimprégnation est accrue avec la pression, cependant la diffusion de gaz dans la substance, qui n'est pas très conséquente à la pression atmosphérique, est à éviter aux pressions plus élevées. Toutefois, le maintien du vide permet l'obtention d'une excellente qualité de préimprégnation pour des temps acceptables. Ainsi, pour une bobine de 2 kg de "rovings" (fils) de verre (bobine ayant une épaisseur de verre de 3 cm), 2 heures suffisent à la préimprégnation. - 6 - Lorsque l'on réalise la préimprégnation sous pression, au lieu que le niveau de la substance dans l'enceinte soit au moins égal au niveau de la substance à la fin de la préimprégnation, on remplit complètement l'enceinte puis, en veillant à ce qu'aucun gaz tel de l'air ou de la vapeur d'eau, ne soit en contact avec la substance, on réalise une pression hydraulique de manière à faire pénétrer la substance dans la bobine. Cette pression hydraulique peut être obtenue, par exemple au moyen d'une pompe alimentée par la substance et alimentant l'enceinte, ou au moyen d'une déformation du volume de substance dans l'enceinte par exemple, en utilisant un fluide sous pression déformant une membrane de séparation avec la substance, ou en utilisant une enceinte à géométrie variable, telle une enceinte comportant un piston. De manière à améliorer la pénétration de la substance d'imprégnation dans les éléments de renfort, on peut diminuer sa viscosité en accroissant sa température. Cela peut être obtenu en réchauffant la substance, par exemple de 30 à 50 C de manière à avoir une viscosité voisine pc exemple de 0,1 Pa.s (10 cPo), soit préalablement à son introduction dans l'enceinte, soit dans l'enceinte elle-même. Ce réchauffage de la résine ne doit pas être trop élevé afin d'éviter l'ébullition de certains composants et l'évolution de la résine. Sans sortir du cadre de l'invention, et pour obtenir le même effet, on pourra réchauffer les éléments de renfort préalablement à l'introduction de la substance de manière qu'au contact de la substance cette dernière se réchauffe. Ce réchauffage des éléments de renfort, qui réduit la viscosité de la substance d'imprégnation, est en outre particulièrement favorable à la désorbtion des gaz et de l'eau responsables des inclusions nuisibles. Si l'on veut désorber des éléments de renfort plus particulièrement l'eau, sans trop réchauffer la bobine de fibres, on pourra, de préférence pendant l'étape de mise sous. vide, utiliser un chauffage par micro-ondes. -7- La figure 2 schématise une bobine 2 de fibres 14 trancannée sur un mandrin 7. Selon l'invention, le réglage de l'angle alpha (Ot) entre des spires de couches consécutives d'une bobine permet de régler le taux d'imprégnation (rapport du volume de substance d'imprégnation au volume de fibres à imprégner), en outre plus l'angle alpha est voisin de 90 moins les risques de réduction des fils imprégnés, par effilochage au cours du débobinage de la bobine, sont grands. L'angle alpha satisfaisant peut être obtenu par retrancannage des bobines avec un pas des fibres adaptées. Ce retrancannage offre en outre l'avantage d'aérer et de régler la tension des fibres. De la même manière que la méthode et le dispositif selon l'invention s'applique à la préimprégnation de bobine de fils de renfort, on pourra préimprégner des tissus ou des tresses enroulées ou non sur un mandrin. -8 - R E V'E N D I-C A T I O N S 1. - Procédé pour préimprégner avec une substance des éléments de renfort, tels des fibres, des tissus ou des tresses, lesdits éléments de renfort étant utilisables pour réaliser un matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte la succession des étapes suivantes: - on place lesdits éléments de renfort dans une enceinte - on produit dans ladite enceinte un vide suffisant en intensité et en durée pour éliminer au moins la plus grande partie de l'eau et/ou du gaz présents dans les éléments de renfort, et - on introduit une quantité suffisante de ladite substance dans ladite enceinte, de façon à ce que ladite substance recouvre encore lesdits éléments une fois qu'ils ont été imprégnés. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dégaze sous vide ladite substance avant de l'introduire dans ladite enceinte. 3. - Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise ladite substance chaude. 4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'après avoir introduit la quantité suffisante de ladite substance, on maintient ladite enceinte sous vide. 5. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'après avoir produit te vide dans l'enceinte et introduit ladite substance dans ladite enceinte en quantité suffisante pour que ladite substance recouvre encore lesdits éléments une fois qu'ils seront imprégnés, on met l'enceinte sous pression. 6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lorsque l'on met l'enceinte sous pression, on empêche l'introduction de matière, telle des gaz ou de l'eau dans la substance imprégnant lesdits éléments du renfort. 7. - Procédé selon l'une des- revendications I à 6, caractérisé en ce que lesdits éléments de renfort sont des fibres bobinées sur un mandrin et en ce que les spires de couches consécutives se croisent sous un angle au moins égal à 30 . 8. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel lesdits éléments de renfort sont des fibres bobinées sur un mandrin, caractérisé en ce que le mandrin est ajouré. 9. - Dispositif pour préimprégner avec une substance des éléments de renfort, tels des fibres de tissus ou des tresses, lesdits éléments de renfort étant utilisables pour réaliser un matériau composite, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte adaptée à contenir lesdits éléments et adaptéeà réaliser le vide, des moyens de pompage du vide adaptés à éliminer au moins la plus grande partie de l'eau et/ou les gaz présents dans les éléments de renfort, un orifice adapté à l'introduction de ladite substance. 10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite enceinte est adaptée à résister à une pression supérieure à la pression atmosphérique et en ce qu'il comporte des moyens permettant de mettre ladite enceinte sous ladite pression. 11. - Eléments de renfort préimprégnés obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications I à 7 ou au moyen du dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9.