Brevet FR2770802A1 — publié le 19990514

La présente invention concerne un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite. On connaît un procédé de ce type dans lequel on réalise tout d'abord une nappe non tissée formée de fibres de renfort préimprégnées au moyen d'une "matrice" thermodurcissable ou thermoplastique. Les fibres peuvent être constituées par du verre, du carbone ou de l'aramide, alors que la résine est par exemple de type époxyde ou phénolique. On découpe ensuite la nappe ainsi formée de manière à réaliser des plis dont les dimensions correspondent à celles de l'empreinte d'un moule dans laquelle la pièce composite est destinée à être formée. On dispose alors ces plis les uns au- dessus des autres avec des orientations différentes, puis on les comprime et on chauffe l'empilement ainsi formé à une température appropriée. Ceci permet l'obtention de la pièce désirée. Cette première solution connue présente cependant certains inconvénients. Elle nécessite une découpe précise de la nappe de fibres préimprégnées, dans la mesure o chaque pli doit être exécuté selon des dimensions proches de celles de l'empreinte du moule. De plus, dans le cas o le moule possède des portions s'étendant selon des directions qui ne sont pas parallèles entre elles, il est nécessaire de placer les uns au- dessus des autres des plis de dimensions réduites, ce qui s'avère particu- lièrement fastidieux. Une solution alternative consiste à disposer des plis qui ne sont pas parallèles entre eux, ce qui est préjudiciable à la résistance mécanique de la pièce une fois formée. Dans tous les cas, l'intervention manuelle d'un opérateur s'avère nécessaire dans une mesure importante, ce qui augmente le risque d'erreurs et s'avère préjudiciable à la reproductibilité des pièces. Un autre procédé connu de moulage de pièces composites consiste à introduire dans le moule tout d'abord des fibres non imprégnées, puis un matériau thermodurcissable. Ce procédé présente cependant un inconvénient en ce sens que l'homogénéité de la structure composite ainsi formée n'est pas parfaite. En effet, il existe des zones dans lesquelles le degré d'imprégna- tion des fibres est soit trop faible, soit trop élevé, ce qui crée des régions de rupture préférentielle au niveau de la pièce réalisée conformément à ce procédé. Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur évoqués ci-dessus, l'invention a pour objet un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite dont le prix de revient soit relativement faible et la mise en oeuvre aisée, et qui permette l'exécution d'une pièce homogène dont la tenue mécanique soit satisfaisante et qui présente une excellente reproductibilité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite à partir d'une nappe non tissée de fibres de renfort préimprégnées au moyen d'une matrice thermodurcissable ou thermoplastique, ce procédé comprenant une étape de chauffe des fibres de renfort et de la matrice dans un moule, caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à l'étape de chauffe, une étape de déstructura- tion de la nappe en une multiplicité d'éléments discrets et une étape de mise en place de ces éléments selon un arrangement tridimensionnel en vue de leur moulage. L'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En effet, elle permet un gain de temps appréciable dans la mesure o elle fait seulement appel à une découpe grossière de la nappe en vue de former des éléments discrets et non pas une découpe à des cotes précises en fonction de la taille du moule, comme cela est le cas dans l'art antérieur. De plus, ce procédé permet la réalisation de pièces dont la structure est complexe, comme des pièces tridimensionnelles présentant des nervures perpendiculaires à la direction principale de la pièce, ou bien encore des bossages, des feuillures, des lamages ou des inserts. En effet, les éléments discrets issus de la déstructuration de la nappe, du fait de leur arrangement tridimensionnel, sont nettement mieux à même d'occuper l'ensemble du volume de l'empreinte du moule permet- tant la réalisation de telles pièces complexes que les plis utilisés dans l'art antérieur. En outre, étant donné que l'on part d'une nappe préimpré- gnée initiale dont la composition est parfaitement connue, la pièce réalisée conformément au procédé de l'invention présente une homogénéité satisfaisante et ne possède pas de zone fragilisée. Enfin, le coefficient de retrait des pièces exécutées selon le procédé de l'invention est sensiblement nul dans le cas du carbone et faible dans le cas de la fibre de verre, de sorte que le dimensionnement de ces pièces est particulièrement précis et reproductible. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on met en place lesdits éléments discrets selon ledit arrangement tridimensionnel hors du moule, de manière à réaliser une structure composite destinée à être introduite dans le moule ou à l'entrée du moule. La structure composite ainsi formée présente une grande facilité de stockage, de manipulation et de transport. Elle peut être comprimée de manière à réduire son encombrement. Elle peut également être préformée de manière adaptée à la forme du moule dans lequel ou à l'entrée duquel elle est destinée à être introduite. Cette structure peut également présenter la forme d'un lingot de grande longueur et être débitée en fonction des dimensions des pièces que l'on souhaite réaliser. Selon un second mode de réalisation de l'invention, on remplit sensiblement la totalité du volume de l'empreinte du moule au moyen des éléments discrets. Ce mode de réalisation convient tout particulièrement à un moule de structure relati- vement simple, dont le volume est aisément accessible. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on dispose les éléments discrets à l'entrée du moule et on bourre ces éléments à l'intérieur du moule. Ce bourrage est réalisé sous une pression comprise par exemple entre 10 et 500 bars. Ce mode de réalisation trouve son application avec des moules de structure complexe présentant, notamment, des recoins ou des renfoncements. Selon une autre caractéristique de l'invention, on enroule certains des éléments discrets autour et le long d'au moins un bossage dont est pourvue l'empreinte du moule, notamment un insert. Ceci permet la réalisation de pièces en matériau composite percées d'orifices, destinées notamment au passage d'un arbre, comme par exemple une manivelle d'un pédalier de bicyclette. Les pièces ainsi réalisées présentent une rigidité remarquable au niveau des parois définissant ces orifices. Selon une autre caractéristique de l'invention, les éléments discrets sont des faisceaux sensiblement rectangulai- res de fibres préimprégnées de ladite matrice. De manière avantageuse, les grands côtés des faisceaux sont sensiblement parallèles à la direction des fibres, ce qui confère une rigidité accrue à la pièce définitive. L'invention a également pour objet une structure en matériau composite destinée à être introduite dans un moule ou à l'entrée d'un moule de formage, ladite structure étant réalisée à partir d'un arrangement tridimensionnel d'éléments discrets obtenus par découpe d'une nappe non tissée de fibres de renfort préimprégnées au moyen d'une matrice thermodurcissa- ble ou thermoplastique. De manière avantageuse, la structure est préformée de manière adaptée à la forme de l'empreinte du moule dans lequel ou à l'entrée duquel elle est destinée à être introduite. Selon une autre caractéristique avantageuse, la structure est réalisée à partir de fibres de renfort différentes entre elles, choisies notamment mais non exclusivement à partir des fibres de verre, de carbone et d'aramide. L'enchevêtrement de ces fibres confère à la pièce définitive un aspect multicolore original. De plus, chaque fibre confère une composante de résistance particulière, en flexion, traction ou cisaillement, à la pièce définitive ce qui améliore ou modifie les caracté- ristiques mécaniques de cette dernière. L'invention a enfin pour objet une manivelle de pédalier de bicyclette, caractérisée en ce qu'elle est réalisée selon le procédé décrit ci-dessus. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant la formation d'une nappe composite; - la figure 2 est une vue schématique de différents agencements d'éléments discrets conforme à l'invention, réalisés à partir de la nappe représentée à la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique d'une structure composite selon l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un moule destiné à la mise en oeuvre d'un premier mode de réalisation; - les figures 5 à 7 sont des vues schématiques en coupe illustrant trois phases successives d'un premier mode de réalisation de l'invention, et - les figures 8 et 9 sont deux vues schématiques en coupe illustrant deux phases successives d'un second mode de réalisation de l'invention. Comme le montre la figure 1, la première étape du procédé conforme à l'invention consiste à réaliser, de manière connue, une nappe 2 autour d'un cylindre 4. Cette nappe non tissée est formée par des fibres 6 de renfort s'étendant de manière sensiblement parallèle les unes aux autres, selon une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre 4. Ces fibres 6 sont imprégnées au moyen d'une matrice thermodurcissable 8. Bien entendu, on peut prévoir que cette matrice soit de type thermoplastique. La phase suivante du procédé conforme à l'invention consiste à déstructurer la nappe 2 représentée à la figure 1, de façon à former des éléments discrets. Ces éléments peuvent par exemple être des faisceaux 10 à peu près rectangulaires, formés à partir d'une découpe grossière de la nappe 2. Les dimensions de ces faisceaux sont variables en fonction des dimensions de la pièce à exécuter, et de la forme de l'em- preinte du moule. Leur largeur est par exemple comprise entre 1 et 20 mm, de préférence entre 3 et 6 mm, et leur longueur est comprise entre 20 et 200 mm, de préférence 50 et 100 mm. Les brins 10 sont ensuite enchevêtrés selon un arrangement tridi- mensionnel, de manière à former une structure composite 12 en forme de perruque, représentée à la figure 3. De manière avantageuse, la structure 12 est ensuite comprimée, ce qui réduit son encombrement et donc son stockage et sa manutention. Il s'agit ensuite de disposer la structure comprimée 12 dans l'empreinte d'un moule. Ce moule est représenté à la figure 3 et désigné par la référence 14. Il s'agit, dans l'exemple représenté, d'un moule destiné à la fabrication d'une manivelle pour pédalier de bicyclette. Ce moule 14, dont la structure est classique, possède à cet effet une empreinte 16 allongée et se trouve pourvue d'un pion 17 conique à section carrée et d'un insert cylindrique 18 permettant la formation, dans la manivelle définitive, de deux orifices de passage des axes du pédalier et de la pédale. Comme le montre la figure 4, on préforme la structure 12 comprimée, de manière adaptée à la forme du moule 14. Ce préformage peut être réalisé automatiquement, ce qui est particulièrement avantageux en termes de main d'oeuvre. Puis, comme le montrent les figures 5 et 6, on bourre l'empreinte du moule 14 au moyen de la structure préformée. Les fibres de cette dernière s'enroulent autour de l'insert 18 sans qu'il y ait création d'une zone discontinue comme cela était le cas dans le procédé de l'art antérieur utilisant des plis superposés. On peut également enrouler des faisceaux 10 autour de cet insert 18. Puis, on utilise un poinçon 20 de manière classique, afin de réaliser la manivelle définitive M. Dans l'exemple considéré, la nappe 2 est réalisée à partir de fibres de carbone imprégnées au moyen d'une résine époxyde, les fibres étant présentes à raison de 60 % en poids. Cette nappe est découpée selon des copeaux 10 à peu près rectangulai- res, dont la largeur est comprise entre 3 mm et 6 mm, et la longueur comprise entre 50 mm et 100 mm. La pression de bourrage est comprise entre 10 et 500 bars. Le volume de l'em- preinte du moule renferme environ 80 à 160 grammes d'éléments discrets composites. Il est à noter que, conformément à l'invention, la composition de ces éléments discrets est parfaitement connue puisqu'ils sont formés à partir d'une nappe préimprégnée de composition elle-même connue. On chauffe le moule à une température d'environ 150 C sous une pression comprise entre 10 et 100 bars durant 3 à 60 minutes. La manivelle ainsi formée présente un prix de revient plus bas que celles de l'art antérieur, puisque son temps nécessaire de fabrication est réduit. De plus, elle bénéficie d'une résis- tance mécanique satisfaisante, dans la mesure o sa composition est parfaitement connue et homogène en tout point de la manivelle. En particulier, la continuité des fibres autour des inserts 18 du moule 14 confère une excellente rigidité aux parois des orifices dont est pourvue cette manivelle. Du fait de l'enchevêtrement des éléments discrets, la manivelle une fois réalisée présente un aspect général proche de celui du bois "aggloméré" ce qui lui confère, outre une rigidité importante, une esthétique originale. Les figures 8 et 9 représentent un autre mode de réalisa- tion de l'invention. Le moule 21 qui y est illustré possède une empreinte de structure complexe, avec des recoins et des renfoncements, de sorte que le volume de cette empreinte n'est pas accessible dans son intégralité. On dispose la structure composite 12 comprimée et préformée, à l'entrée 22 de ce moule puis on fait descendre un piston 24, opérant à une pression comprise par exemple entre 10 et 500 bars. L'action de ce piston assure la répartition de la struc- ture composite dans la totalité du volume de l'empreinte du moule. Cette pression élevée permet en outre une répartition homogène des fibres préimprégnées au niveau de l'ensemble du volume de l'empreinte du moule, ce qui garantit une tenue mécanique satisfaisante de la pièce 26 une fois réalisée. Les modes de réalisation du procédé de l'invention, illustrés en référence aux figures 5 à 9, s'apparentent à un matriçage de faisceaux de fibres préimprégnées. REVENDICATIONS 1. Procédé de moulage d'une pièce en matériau composite à partir d'une nappe non tissée (2) de fibres de renfort (6) préimprégnées au moyen d'une matrice thermodurcissable (8) ou thermoplastique, ledit procédé comprenant une étape de chauffe desdites fibres de renfort et de ladite matrice dans un moule (14; 21), caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à ladite étape de chauffe, une étape de déstructuration de ladite nappe (2) de manière à former une multiplicité d'éléments discrets (10) et une étape de mise en place desdits éléments discrets selon un arrangement tridimensionnel en vue de leur moulage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en place lesdits éléments discrets selon ledit arrangement tridimensionnel hors du moule, de manière à réaliser une structure composite (12) destinée à être intro- duite dans le moule (14) ou à l'entrée du moule. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on préforme et/ou on comprime ladite structure composite (12) avant son introduction dans le moule ou à l'entrée du moule. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on remplit sensiblement la totalité du volume de l'empreinte du moule (14) au moyen desdits éléments discrets (10) de manière à former ledit arrangement tridimensionnel dans l'empreinte du moule. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met en place lesdits éléments discrets selon ledit arrangement tridimensionnel à l'entrée (22) du moule (21) et on bourre lesdits éléments à l'intérieur du moule. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on enroule certains desdits éléments discrets autour et le long d'au moins un bossage (17, 18) dont est pourvu le moule (14), notamment un insert (18). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que lesdits éléments discrets sont des faisceaux (10) sensiblement rectangulaires de fibres (6) préimprégnées au moyen de ladite matrice (8). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les grands côtés des faisceaux (10) sont sensiblement parallè- les à la direction des fibres. 9. Structure en matériau composite (12), destinée à être introduite dans un moule (14) ou à l'entrée (22) d'un moule (21) de formage, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir d'un arrangement tridimensionnel d'éléments discrets (10) obtenus par découpe d'une nappe (2) non tissée de fibres de renfort (6) préimprégnées au moyen d'une matrice thermodur- cissable (8) ou thermoplastique. 10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est préformée de manière adaptée à la forme de l'em- preinte (16) du moule (14) dans lequel ou à l'entrée duquel elle est destinée à être introduite. 11. Structure selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de fibres de renfort différentes entre elles. 12. Manivelle (M) de pédalier de bicyclette, caractérisée en ce qu'elle est réalisée selon le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 8.