Brevet FR2626294A1 — publié le 19890728

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE FIBREUSE TRIDIMENSIONNELLE EN VUE DE LA REALISATION ULTERIEURE D'UNE PIECE EN UN MATERIAU COMPOSITE La présente invention concerne La fabrication de structures tridimensionnelles formées par des couches planes superposées de matériaux fibreux. Le domaine d'application est, plus particulièrement, La fabrication de structures de renfort tridimensionnelles, destinées à la réalisation de pièces en matériaux composites par densification des structures de renfort, par exemple pour fabriquer des disques ou autres garnitures d'usure, freins à disque ou embrayage. Selon la technique connue, Lorsque l'on veut réaliser une pièce tridimensionnelle, on forme, tout d'abord, des nappes ou des voiles de fibres ou filaments, par exemple, en fibres ou filaments de polyacrylonitrile stabilises. On superpose, ensuite, plusieurs épaisseurs de voiles ou de nappes qui sont liées par aiguilletage. On procède, alors, à la découpe, en vue d'obtenir une préforme de la pièce définitive à réaliser. La préforme est, ensuite, soumise à une phase de carbonisation avant d'être soumise à une étape de densification ou d'imprégnation permettant de constituer la matrice enrobant les fibres. Une étape ultime consiste, ensuite, à réaliser l'usinage de la pièce définitive à partir de la préforme densifiée. Une telle technique a été, notamment, divulguée par la demande FR 2 584 106 se rapportant, plus particulièrement, à la fabrication d'une structure en forme de plaque. Dans cette plaque, la découpe de la préforme intervient après Liaison textile par aiguilletage des nappes ou voiles superposés. En raison de l'aiguilletage, les chutes, provenant de la découpe de la préforme par rapport à La plaque de rase, sont totalement irrécupérables. En effet, 'aiguilletage imposé rend impossible une éventuelle dissociation nes fibres nu filaments. Les chutes de matière première ne peuvent nonc pas etre recyclées prur former, de nouveau, des voiles ou des narres f trieuses susceptirles d'être superposés pour la constitution de plaques ultérieures, à partir desquelles des préformes seront découpées. Or, la matière de base utilisée dans ce genre de technique est d'un coût relativement important et la perte irrémédiable des chutes, pouvant très pratiquement atteindre 50 %, grève fortement le prix de revient et de commercialisation de la pièce définitive réalisée. L'invention entend remédier à cet inconvénient en proposant un nouveau procédé de fabrication d'une structure tridimensionnelle, de manière à rendre possible, lors de La réalisation d'une préforme, la récupération des chutes et, par là même, des fibres contenues dans ces dernières. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à : - exécuter La Liaison des nappes par aiguilletage de la ou des parties de surface correspondant à la géométrie de la préforme à obtenir, - et découper la préforme par rapport aux parties de nappes superposées non aiguilletées. L'invention a également pour objet une machine pour la mise en oeuvre du procédé, machine caractérisée en ce qu'elle comprend - un bâti, - un plateau mobile sur le bâti, portant un support et susceptible d'être animé d'un déplacement pas à pas descendant, - une tête d'aiguilletage mobile sur Le bâti, superposée au plateau, associée à un débourreur, pourvue d'aiguilles implantées selon une organisation couvrant une surface en relation avec La préforme à réaliser, - des moyens pour provoquer un mouvement de rotation angulaire relative entre le plateau et la tête d'aiguilletage, - et au moins un organe de coupe de la matière fibreuse aiguilletée. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Les fig. 1 et 2 sont des perspectives illustrant schématiquement deux phases préalables à la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Les fig. 3-3A à 7-7A sont des vues schématiques illustrant différentes phases opératoires d'une première mise en oeuvre du procédé de l'invention. Les fig. 8-8A à 13-13A sont des vues schématiques illustrant différentes phases opératoires d'une autre mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le procédé conforme à L'invention commence, quelles que soient ses variantes ultérieures, par une opération de cardage de fibres à caractère textile. A titre d'exempLe, le matériau est, de préférence, constitué de fibres de PAN (polyacrylonitrile, précurseur du carbone) ou de fibres de PAN stabilisées. Le procédé de L'invention pourrait, également, être mis en oeuvre avec des fibres naturelles, artificielles ou synthétiques, organiques ou minérales, telles quelles ou traitées thermiquement. Le choix de la nature de ces fibres est fonction de l'application envisagée. L'opération de cardage permet de produire un voile de carde composé de fibres alignées de façon sensiblement parallèLe selon la direction F, tel que cela apparaît à la fig. 1. On superpose, ensuite, plusieurs voiles oe carde, au moins deux et par exemple trois, tels que la, lb, lc (fig. 1), qui sont maintenus assemblés par un Léger aiguilletage, par exemple, 2 effectué à raison de quatre å dix piqûres 2 par sm2. Un tel aiguilletage permet d'obtenir, par la superposition des Joues la, lb, lc, une couche ou nappe 3 (fig. 2) présentant une certaine tenue mécanique, afin c'être manipulable. Les voiles la, 1b ... ln sont, ce préférence, superposés pour que leurs fibres respectives ne soient pas alignées c' un foi Le à un autre, mais fassent, au contraire, un angle entre elles par exemple 900 ou, encore, de façon préférée 600. Les fig. 3 à 6 et les coupes associées 3a à 6a illustrent une première variante de mise en oeuvre du procédé dans une application à la confection d'une préforme, en vue de La fabrication d'un disque annulaire, par exemple de frein à disque, dont les contours externe C1 et interne C2 sont représentés en traits mixtes à la fig. 3. Il doit être considéré que le procédé de L'invention pourrait, également, être mis en oeuvre pour confectionner une pièce tridimensionnelle de forme notablement différente. Pour la mise en oeuvre du procédé dans l'application visée, on utilise des nappes 3, préalabLement confectionnées comme dit ci-dessus et dont la surfacede chacune est choisie pour la réalisation uniquement d'un disque annulaire de frein. Le procédé de L'invention consiste, tout d'abord, å placer deux nappes 3a et 3b (fig. 3 et 3A) superposées sur le plateau support P d'une machine d'aiguilletage dont la planche à aiguilles est spécialement conformée pour correspondre à la surface utile du disque à réaliser et pour exécuter des points d'aiguilletage 4 dans la surface délimitée entre Les cercles concentriques C1 et C2. L'exécution des points d'aiguilletage 4 s'effectue de manière habituelle, grâce au support P permettant l'enfoncement des aiguilles a travers Les nappes 3a et 3b et l'extraction partielle de La nappe 3a de certaines fibres amenées à pénétrer ledit Support pour assurer l'immobilisation des nappes, en vue de faciliter les phases ultérieures du procédé. Les points d'aiguilletage 4 sont exécutés à partir d'une planche à aiguilles possédant une densité d'aiguilles décroissant de C1 à C2, de manière à obtenir une densité d'aiguilletage constante à l'unité de surface. Cette densité est obtenue en prévoyant une rotation relative, continue ou discontinue, entre la planche à aiguilles et le plateau P. Après aiguilletage, le plateau P est descendu d'une hauteur correspondant à celle de la nappe superposée et aiguilletée. Une nappe 3c est, ensuite, superposée a la nappe 3b (fig. 4, 4a), sur Laquelle elle est aiguilletée, comme dit précédemment, pour former des points d'aiguilletage 5 traversant, au moins partiellement, l'épaisseur de la nappe 3b. Les points d'aiguilletage 5 sont, également, exécutés à l'intérieur des cercles C1 et C2 définissant les contours du disque à réaliser. L'empilage et l'aiguilletage des nappes se poursuivent jusqu'à atteindre l'épaisseur désirée choisie en fonction de la pièce à obtenir. Le procédé de L'invention fait intervenir, entre les contours C1 et C2 et grâce à la rotation relative de la tête, un aiguilletage notablement plus dense que dans la phase de préparation des nappes 3 selon les fig. 1 et 2. En effet, les points d'aiguilletage 2, pour l'obtention d'une nappe 3, sont uniquement prévus pour conférer une tenue manipulable à la nappe constituée par la superposition des voiles la à 1n. Au contraire, dans le procédé de L'invention, Les points d'aiguilletage 4, 5 sont exécutés pour établir une Liaison mécanique résistante entre les nappes superposées, de manière à obtenir une préforme exempte de risque de délaminage entre les couches superposées consti:pos par les nappes successives.Les points d'aiguilletage 4, 5 sont 2 exécutés à raison de 40 à 120 piqûres par cm L'aiguilletage de la dernière nappe est, généralement, plus dense que les précédents, afin d'homogénéiser La densité d'aiguilletage dans toute l'épaisseur ce la structure. La phase suivante du procédé consiste à découper, suivant les cercles C1 et C2, par l'intermédiaire d'un emporte-piéce, les différentes nappes superposées 3a à 3c, comme cela est illustré par les fig. 5-5A à 6-6A. On obtient, ainsi, une préforme 7, correspondant a la oiece å obtenir, ains due deux chutes 8 et 9. La comparaison des fig. 5 et 6 vermet de constater que les chutes 8 et 9 sont, uniquement, const tuées oor l superposition des nappes 3a à 3c oui n'ont as Subi d'aiguilletage autre que celui de formation des points 2.La faible concentration de points d'aiguilleta-ge 2 laisse subsister des fibres relativement libres, de sorte qu'il devient possible de recycler les chutes 8 et 9 vers la réserve de fibres, en vue de leur réutilisation, par exemple, par passage dans L'ouvreuse de la carde, en vue de former, par cardage, de nouveaux voiles la, lb ... in. L'incorporation des chutes recyclées peut être envisagée jusqu a concurrence de 50 % des fibres entrant dans la confection des voiles de carde. La préforme 7 est, ensuite, soumise aux phases de traitement connu, en vue de l'obtention d'un produit fini réalisé, par exemple, en carbone carbone. Une variante de mise en oeuvre préférée du procédé de L'invention consiste, comme cela est illustré par les fig. 7-7A et 9-9A, à exécuter, dans la première nappe 3a, simultanément ou successivement, les points d'aiguilletage 4 et la découpe selon les cercles concentriques C1 et C2, afin d'obtenir, d'une part, un élément plan annulaire 7a précurseur de La préforme 7, en partie aiguilleté par les points 4 exécutés à la concentration souhaitée et, d'autre part, des chutes élémentaires 8a et 9a, faibLement aiguilletées et qui peuvent être immédiatement dégagées et recyclées. Une seconde nappe 3b est, alors, superposée à L'élément annulaire 7a, comme cela est illustré par les fig. 9-9A et 10-10A. On réalise, comme précédemment, simultanément ou successivement, les points d'aiguilletage 5 à travers la nappe 3b et l'élément annulaire 7a, d'une part, et La découpe selon les cercles C1 et C2, en vue de dégager les chutes 8b et 9b de la nappe 3b, d'autre part. Cette opération permet de découper un second élément 7b qui est, automatiquement, lié mécaniquement å l'élément 7a sous-jacent. On procéde de façon semblable pour ce qui concerne la nappe 3c, comme cela est illustré par les fig. 71-11A et 12-12A. Selon cette variante de mise en oeuvre, chaque suserposition d'une nappe fait intervenir l'aiguilletage de la surface utile de la préforme à obtenir et le découpage de La partie élémentaire devant constituer cette préforme qui se compose, ainsi, progressivement à l'apport des nappes successives. Les chutes élémentaires sont éliminées, lors de chaque phase opératoire, pour être recyclées en direction de l'ouvreuse de la carde, étant donné qu'elles présentent, comme dans la variante précédente, la caractéristique de n'être que faiblement aiguilletées et de posséder, en conséquence, des fibres relativement libres. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, le procédé de L'invention consiste à réaliser L'aiguilletage essentiel, uniquement de la partie utile des nappes superposées, à un stade de fabrication ou les fibres constitutives de ces dernières possèdent un caractère textile, par exemple avant carbonisation, dans le cas de fibres de carbone. Le procédé prévoit, par ailleurs, la découpe de la zone utile essentiellement aiguilletée, de manière à pouvoir disposer de chutes dont les fibres, faiblement aiguilletées, peuvent être séparées par ouvraison au cardage et, ainsi, être recyclées pour entrer, partiellement, dans La confection de voiles ultérieurs. Le procédé de l'invention permet de réaliser une économie substantielle par rapport aux procédés connus selon lesquels la découpe des chutes intervient après aiguiiiptage essentiel etlou carbonisation des fibres de la préforme. Pour la mise en oeuvre des deux variantes du procédé ci-dessus, il est avantageux d'utiliser une machine, telle que celle illustrée par la fig. 13. Cette machine comprend : - un bâti 10, - un plateau horizontal il fixe ou crientable autour d'un axe vertical 12 par rapport au bâti, supporté par celui-ci et susceptible d'être déplacé verticalement de la valeur des épaisseurs des nappes 3a, 3b, 3c aigui#ietêes, - un support 13 posé sur le plateau Il et réalisé en un matériau permettant L'aiguilletage, tel qu'une succession de feutres de fibres de polypropyléne liés entre eux par collage ou couture ou un ensemble de tapis brosse, - au-dessus de ce support 13, une tête d'aiguilletage 14 fixe ou orientable autour de l'axe vertical 12 et susceptible d'être déplacée verticalement d'une distance permettant l'aiguilletage de tout ou partie de l'épaisseur des nappes sur le support 13, une telle tête possédant une concentration convenable d'aiguilles qui sont implantées selon une organisation en plan correspondant å la forme géométrique de la préforme à réaliser et dont la densité d'aiguilles, dans le cas de fabrication d'un disque annulaire, décroît du contour C1 au contour C2 pour exécuter une densité constante de points d'aiguilletage, un débourreur 15 interposé, entre Le support 13 et la tête 14, pour être fixé angulairement par rapport à cette derniére, tout en étant mobile axialement avec elle, - deux organes de coupe 16, dans Le cas présent en forme d'emporte-piéce circulaire, pour correspondre aux cercles C1 et C2 et permettant les découpes désirables, de tels organes- pouvant être des lames, des jets de fluides, des ciseaux, un système Laser, etc., devenant actifs â chaque passe d'aiguilletage ou uniquement après la dernière passe selon la variation du procédé mis en oeuvre. et des moyens pour provoquer une mise en rotation relative continue ou intermittente entre le plateau 11 et la tête 14. La machine de la fig. 13A est similaire à celle de la fig. 13 aux différences prés suivantes - la tête d'aiguiltetage 14, de préférence non orientable autour d'un axe vertical, est susceptible d'être déplacée horizontalement (flèche G) par rapport au bâti 10, ceci permet, avec une tête de dimensions infer eures a celles des nappes 3a, 3b, 3c à aiguilleter, ce réaliser cependant l'aiguilletage par déplacements successifs de la tête dans la direction G, - le plateau 11 est mobile par rapport au bâti 10, selon une direction oerpendiculaire au plan du dessin. La machine de la fig. 13 permet l'aiguilietage nense de préforme de pièces à symétrie axiale, alors que celle de la fig. 13A permet l'aiguilletage dense de préforme de pièces de formes quelconques. Il convient de noter que Le procédé, consistant à aiguilleter la première nappe sur le support 13, permet de sortir des fibres de la nappe et de les accrocher dans ta matière dudit support qui assume ainsi, en plus de la fonction de pénétration des aiguilles selon une présentation aléatoire, une fonction d'ancrage de la nappe qui est ainsi immobilisée fermement pour les opérations ultérieures. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportees sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une structure fibreuse tridimensionnelle, en vue de la réalisation ultérieure d'une pièce à partir d'une préforme découpée, du type consistant à superposer plusieurs nappes de fibres à caractère textile, à lier par aiguilletage les différentes nappes pour obtenir une structure fibreuse, à découper dans cette structure une préforme de la pièce à obtenir, caractérisé en ce qu'il consiste à : - exécuter la liaison des nappes par aiguilLetage de La ou des parties de surface correspondant à la géométrie de la préforme à obtenir, - et découper la préforme par rapport aux parties de nappes superposées non aiguilletées. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à découper la préforme après aiguilletage des différentes nappes superposées. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser l'aiguilletage et la découpe après la superposition de chaque nappe entrant dans la constitution de la préforme. 4 - Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il consiste à recycler les parties de nappes découpées pour reformer des voiles de carde. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les parties de nappes découpées et recyclées entrent à raison d'au plus 50 % dans La constitution des voiles de carde. 6 - Machine pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend - un bâti (10), - un plateau (11) mobile sur le bâti, portant un support (13) et susceptible d'être animé d'un déplacement pas à pas descendant, - une tête d'a guilletage (14) mobile sur le bâti, superposée au plateau, associée à un débourreur (15), pourvue d'aiguilles implantées selon une organisation couvrant une surface en reiaticn avec la géométrie de la préforme à réaliser, - des moyens pour provoquer un mouvement de rotation angulaire relative entre le plateau et la tête d'aiguilletage, - et au moins un organe (16) de coupe de la matière fibreuse aiguilletée 7 - Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour provoquer un mouvement de rotation angulaire relative entre le plateau et la tête d'aiguilletage. 8 - Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que la tête d'aiguilletage présente en plan une forme annulaire et possède une densité d'aiguilles décroissant depuis son contour extérieur. 9 - Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que la tête et le plateau sont mobiles selon des directions distinctes.