Brevet FR2820359A1 — publié le 20020809

La présente invention a pour objet un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite et le dispositif permettant la mise en oeuvre dudit procédé. On connaît déjà différents procédés de moulage de pièces en matériau composite, permettant de mettre en forme ledit matériau, qui consiste en des fibres noyées dans une matrice thermodurcissable ou thermoplastique, au moyen d'un moule et en association avec des conditions particulières de pression et de température. Les fibres consistent généralement en du verre, du carbone ou de l'aramide, tandis que la matrice est du type époxyde, phénolique ou autre. Les procédés connus diffèrent également selon la manière dont le matériau composite est mis en oeuvre dans le moule. Ces procédés utilisent pour la plupart un mat se présentant sous la forme d'une nappe non tissée de fibres s'étendant parallèlement, et dans laquelle sont prélevés soit des plis destinés à être superposés, en variant éventuellement l'orientation de fibres afin d'augmenter la résistance de l'ensemble, soit des morceaux plus ou moins longs et/ou larges que l'on dispose dans le moule, lesdits morceaux de nappe pré-imprégnée étant disposés en vrac de manière aléatoire ou selon un arrangement tridimensionnel particulier lié à l'usage de la pièce à réaliser. On notera que les morceaux de nappe pré-imprégnée peuvent être conformés en une structure réalisée en dehors du moule, ce qui permet d'arranger les fibres selon une orientation préférée, et ainsi obtenir une résistance accrue à un effort connu. Le document EP 0.025. 689 décrit un complexe réalisé par un tel procédé, et qui consiste en une feuille faite de l'assemblage de deux feuilles elles-mêmes constituées de l'assemblage de morceaux découpés dans une nappe de fibres pré-imprégnées. On connaît également par le document FR 2.740. 149 un procédé de moulage à partir d'une feuille constituée d'un assemblage de morceaux d'une nappe de fibres pré-imprégnées. Les morceaux de nappe sont superposés à plat et au hasard, pour former une structure qui est ensuite soumis à une pression de l'ordre de 10 à 80 kg/cm2 et à une température de l'ordre de 210 à 350 C. D'autre part, le document EP 0. 916. 477 décrit un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite à partir d'une structure composite constituée de l'assemblage de morceaux d'une nappe de fibres pré-imprégnées, où lesdits morceaux sont disposés de manière à obtenir un arrangement tridimensionnel des fibres, ladite structure étant ensuite soumise à température de l'ordre de 150 C et à une pression de l'ordre de 10 à 100 bars. Les procédés précités sont destinés à la fabrication d'objets particuliers, ainsi le procédé du document FR 2.740. 149 est destiné à la fabrication d'embouts renforcés de chaussures, tandis que le procédé du document EP 0.916. 477 est essentiellement destiné à la fabrication de manivelles de pédalier de bicyclette. Si ces objets sont d'une grande résistance, celle-ci est toutefois limitée, ce qui ne permet pas la fabrication de certaines pièces. Par ailleurs, dans le cas particulier d'un objet présentant un ou plusieurs trous traversants, il est possible soit de réaliser un perçage après moulage avec l'inconvénient, outre la difficulté de réalisation, du sectionnement de fibres, soit, comme cela est préconisé dans le document EP 0.916. 477, d'utiliser un insert ou noyau disposé dans le moule et autour duquel peuvent éventuellement être enroulés des morceaux de nappe de fibres pré-imprégnées ce qui peut présenter des risques de discontinuité du réseau de fibres sur l'ensemble de l'objet réalisé. Par ailleurs, les procédés actuellement connus nécessitent après démoulage des travaux d'usinage et d'ébavurage coûteux en main d'oeuvre, et qui peuvent nuire à la résistance de l'objet réalisé. La présente invention a pour but de remédier aux divers inconvénients précités en proposant un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite, qui permet notamment de réaliser des pièces d'une résistance supérieure à celle des pièces obtenues par les procédés de moulage actuellement connus. Le procédé de moulage d'une pièce en matériau composite selon l'invention est du type consistant à placer dans un moule un empilement de plis prélevés dans une nappe de fibres noyées dans une matrice thermodurcissable ou thermoplastique, et arrangés selon des directions préférentielles desdites fibres, et à soumettre ledit moule à des conditions particulières de pression et de température, et il se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser des opérations successives de : - mise en forme dudit empilement de plis dans le moule, sous une pression faible réalisée progressivement à vitesse lente, - élimination du surplus de matière sortant du bord du moule, - augmentation de la pression jusqu'à une forte pression, - montée en température du moule, - refroidissement rapide du moule. Le procédé selon l'invention permet de réaliser un véritable forgeage du matériau composite, qui donne à la pièce obtenue une très grande résistance, ce qui permet d'envisager la fabrication de pièces jusque là réalisées en métal, de l'aluminium par exemple. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, la mise en forme dans le moule est réalisée sous une force comprise entre 2 et 5 tonnes, la forte pression est réalisée sous une force comprise entre 20 et 30 tonnes, tandis que la température de chauffage du moule est comprise entre 125 et 135OC. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, l'opération d'élimination du surplus de matière est associée, si la pièce à réaliser doit comporter un ou plusieurs trous traversants, à une opération de poinçonnage au travers du moule. Simultanément à l'enlèvement de la matière qui déborde du joint des moules, on réalise un poinçonnage au travers du moule, et le ou les poinçons ou emporte-pièce sont maintenus en place durant les opérations de pression et de chauffage. Le dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de moulage selon l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte : - un moyen de pression d'un moule constitué d'au moins deux parties entre lesquelles est disposé l'empilement de plis, un moyen de coupe apte, sous l'action d'un moyen d'entraînement, à découper le surplus de matière débordant desdites parties après pressage de celles-ci et à épouser la forme externe desdites parties au niveau de leur joint, ainsi que des moyens aptes à chauffer et à refroidir rapidement lesdites parties. Selon une caractéristique additionnelle du dispositif selon l'invention, les moyens de pression et d'entraînement, consistent en des vérins alignés et agissant en sens opposés. Selon une autre caractéristique additionnelle du dispositif selon l'invention, les moyens aptes à chauffer et à refroidir rapidement les parties du moule consistent en des moyens permettant de faire circuler dans ceux-ci un liquide caloporteur pressurisé, associés à des moyens permettant de chauffer ou de refroidir ledit liquide caloporteur. Selon une autre caractéristique additionnelle du dispositif selon l'invention, il comporte au moins un poinçon apte à traverser les parties du moule qui présentent à cet effet des trous en regard. Selon une autre caractéristique additionnelle du dispositif selon l'invention, le ou les poinçons sont solidaires des moyens de coupe et animés par le même moyen d'entraînement. Les avantages et les caractéristiques du dispositif selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. Dans le dessin annexé : les figures la, lb, le et ld représentent des vues schématiques illustrant différentes étapes du procédé de moulage selon l'invention. - la figure 2 représente une vue en perspective d'une pièce réalisée par le procédé selon l'invention. - la figure 3 représente une vue schématique en plan d'une partie du dispositif permettant la fabrication de la même pièce. En référence à la figure la, on peut voir une première étape du procédé de moulage selon l'invention, au moyen d'un dispositif comprenant notamment un moule 1 réalisé en deux parties, une partie mâle 10 et une partie femelle 11. La première étape consiste à disposer entre les deux parties 10 et 11 du moule 1, un empilement 2 de plis 20 découpés dans une nappe fibres noyées dans une matrice thermodurcissable ou thermoplastique. Les fibres consistent en du verre, du carbone ou de l'aramide, tandis que la matrice est du type époxyde, phénolique ou autre. Les plis 20 ne sont pas empilés au hasard, ils sont de préférence arrangés en sorte que d'un pli 20 à l'autre les fibres s'étendent dans des directions différentes de manière à réaliser un entrecroisement prédéterminé. On notera que l'empilement 2 peut être soit disposé entre les parties 10 et 11 du moule 1, soit appliqué sur l'une ou l'autres des parties 10 et 11, afin d'éviter, dans le cas de d'une forme particulièrement complexe de l'empreinte, un fluage de la matrice thermodurcissable ou thermoplastique, et donc la création d'une ou de plusieurs zones dépourvues de fibres de renfort. L'étape suivante consiste à rapprocher les deux parties 10 et 11 et à serrer l'empilement 2 sous une faible force de l'ordre de 2 à 5 tonnes, le rapprochement des parties étant réalisé progressivement, à une vitesse de l'ordre de 3 millimètres par seconde, en sorte que l'empilement prenne la forme de l'empreinte comme cela est représenté sur la figure Ib. Les dimensions des plis 20 sont calculées en sorte qu'après mise en forme ceux-ci débordent sur tout le pourtour du moule 1, afin d'éviter la formation de manques. Il est donc nécessaire de procéder à l'enlèvement du surplus 21, ce qui est réalisé au moyen d'un couteau 3, mobile en translation verticale, et apte à épouser intimement la forme extérieure du moule 1. On notera que le couteau 3 doit être de conception robuste, et que d'autre part son fil 30 doit de préférence ne pas être contenu dans un plan afin d'éviter, si le bord périphérique de la pièce à mouler est en majorité plan, d'attaquer la matière parallèlement à celle-ci. Ainsi, le fil 30 du couteau 3 décrit une ligne brisée ou une courbe en sorte de ne jamais être parallèle avec la matière à couper. En référence à la figure le, on peut voir que le couteau 3 a éliminé le surplus de matière 21 et qu'il reste en place sur le pourtour du moule 1, ce qui permet de fermer ce dernier. Dans l'exemple représenté, la pièce 4 à réaliser doit comporter un trou traversant 40 disposé centralement, aussi les parties 10 et 11 du moule 1 comportent chacune un orifice, respectivement 12 et 13, tandis qu'un emporte-pièce 5, mobile en translation verticale, est apte à être introduit dans l'orifice 12 puis dans l'orifice 13, en sorte de réaliser le percement de l'empilement 2. En référence maintenant à la figure ld, on peut voir qu'après la réalisation du percement de l'empilement 2, l'emporte-pièce 5 est maintenu en place et les parties 10 et 11 sont pressées l'une en direction de l'autre, ce qui est réalisé sous une force de l'ordre de 20 à 30 tonnes, de préférence 25 tonnes, tandis que simultanément elles sont chauffées à une température de l'ordre de 125 à 135oye, de préférence 132oye, la pression et la température étant maintenues pendant une durée de l'ordre de 15 à 20 minutes. La mise en température du moule 1 est réalisée au moyen d'un fluide caloporteur tel que de l'eau, circulant sous pression dans des canalisations, non représentées, que comporte chacune des parties 10 et 11. Le moule 1 est ensuite refroidi par l'intermédiaire du fluide caloporteur, puis le couteau 3 ainsi que l'emporte-pièce 5 sont enlevés, et les parties 10 et 11 du moule 1 sont séparées afin de libérer la pièce moulée 4. Du point de vue mise en oeuvre, un vérin permet de presser les parties 10 et 11 du moule 1 l'une contre l'autre, tandis qu'un deuxième vérin, agissant dans le sens opposé au premier, pousse le couteau 3 et qu'un troisième vérin d'action identique au deuxième pousse l'emporte-pièce 5. On notera que selon une variante, le couteau 3 et l'emportepièce 5 peuvent être solidaires, en sorte qu'ils sont mus par le même vérin, la coupe et le poinçonnage étant ainsi réalisés simultanément. La pièce 4 ainsi réalisée est d'une très grande résistance, laquelle n'est pas entamée par la présence du trou 40, puisqu'en effet la réalisation de celui-ci n'altère pas la continuité du réseau de fibres au niveau de l'ensemble de la pièce. Par ailleurs, la réalisation du trou 40 pouvant être assimilée à un forgeage autour de l'emporte-pièce 5, cela confère à la paroi qui le borde une résistance inégalée par les procédés connus et qui consistent soit à percer après démoulage, soit à placer dans le moule un insert enrobé préalablement au moulage. Le procédé de moulage selon l'invention peut présenter certaines variantes, on peut ainsi utiliser un ou plusieurs inserts destinés à prendre place dans l'empilement 2, ce ou ces inserts étant bien entendu aptes à être calés dans le moule 1. En référence maintenant à la figure 2, on peut voir une pièce réalisée par le procédé selon l'invention. Il s'agit d'une demicoque 6 d'un moyeu pour hélices d'un ultralégermotorisé (ULM), sachant deux demi-coques identiques permettent de réaliser un moyeu. Comme on peut le voir, cette demi-coque 6 présente dans sa région médiane une partie creuse 60 dans laquelle débouchent deux parties 61 de forme semi-tubulaire destinées chacune au passage de l'extrémité d'une pale, tandis que le pourtour 62 est en majorité plan. On peut constater que la demi-coque 6 comporte de nombreux orifices 63,64 et 65 respectivement de centrage de l'hélice, de fixation du plateau et de blocage des pales, tous réalisés par le procédé selon l'invention au moyen d'un mandrin comportant autant d'emporte-pièce. En référence maintenant à la figure 3, on peut voir la partie 7, mâle ou femelle, d'un moule permettant de fabriquer une demicoque 6. On peut constater que cette partie 7 comporte des trous 70 destinés au passage des emporte-pièce, ainsi qu'un canal interne périphérique 71 présentant une entrée 72 et une sortie 73, et destiné à la circulation d'un fluide caloporteur tel que de l'eau, permettant de réaliser la montée en température du moule, et notamment le refroidissement rapide de celui-ci. REVENDICATIONS 1) Procédé de moulage d'une pièce en matériau composite du type consistant à placer dans un moule (1) un empilement (2) de plis (20) prélevés dans une nappe de fibres noyées dans une matrice thermodurcissable ou thermoplastique, et arrangés selon des directions préférentielles desdites fibres, et à soumettre ledit moule à des conditions particulières de pression et de température, et il se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser des opérations successives de : - mise en forme dudit empilement (2) de plis (20) dans le moule (1), sous une pression faible réalisée progressivement à vitesse lente, - élimination du surplus de matière (21) sortant du bord du moule (1), - augmentation de la pression jusqu'à une forte pression, - montée en température du moule (1), - refroidissement rapide du moule (1). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en forme dans le moule (1) est réalisée sous une force comprise entre 2 et 5 tonnes, la forte pression est réalisée sous une force comprise entre 20 et 30 tonnes, tandis que la température de chauffage du moule est comprise entre 125 et 135OC. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération d'élimination du surplus de matière (21) est associée à une opération de poinçonnage au travers du moule (1). 4) Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de moulage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - un moyen de pression d'un moule (1) constitué d'au moins deux parties (10,11) entre lesquelles est disposé l'empilement (2) de plis (20), un moyen de coupe (3) apte, sous l'action d'un moyen d'entraînement, à découper le surplus (21) de matière débordant desdites parties (10,11) après pressage de celles-ci et à épouser la forme externe desdites parties (10,11) au niveau de leur joint, - ainsi que des moyens (71) aptes à chauffer et à refroidir rapidement lesdites parties (10,11). 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de pression et d'entraînement, consistent en des vérins alignés et agissant en sens opposés. 6) Dispositif selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens aptes à chauffer et à refroidir rapidement les parties (10,11) du moule (1) consistent en des moyens (71) permettant de faire circuler dans ceux-ci un liquide caloporteur pressurisé, associés à des moyens permettant de chauffer ou de refroidir ledit liquide caloporteur. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un poinçon (5) apte à traverser les parties (10,11) du moule (1) qui présentent à cet effet des trous (12,13, 70) en regard. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ou les poinçons (5) sont solidaires des moyens de coupe (3) et animés par le même moyen d'entraînement.