Brevet FR2828130A1 — publié le 20030207

L'invention concerne une méthode de fabrication d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort obtenue par le procédé R. T. M. (Resin Transfer Molding) et outillage pour sa mise en oeuvre. Le procédé R. T. M consiste à injecter de la résine dans un moule fermé dans lequel ont été préalablement placées des fibres de renforcement telles que des fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Le taux de renfort peut traditionnellement aller de 0 à 30% en volume total. Un taux de renfort élevé permet d'atteindre des propriétés mécanique également élevées, notamment au niveau de la contrainte maximale à la rupture et du module élastique. Pour une pièce de même résistance mécanique, la pièce à haut taux de renfort sera plus légère. L'écoulement de la résine à travers un renfort placé dans un moule est caractérisé par sa perméabilité K. K Q. A. AP K= perméabilité (m2) Q= Débit (m3. s. l) 11= Viscosité (Pa. s) Al= Longueur d'écoulement (m) A= Section (m2) AP= Perte de charge (Pa) La loi de Darcy simplifiée, présentée précédemment, met en relation la perméabilité avec la perte charge (correspondant à l'élévation de pression dans l'outillage), la viscosité de la résine, la section de la zone d'écoulement, la longueur d'écoulement et le débit. Les résultats de cette loi permettent de déterminer, en fonction du cahier des charges, le choix de la technologie et le type de moule à utiliser. Pour obtenir actuellement un taux volumique de renfort maximal (30%), il est nécessaire d'utiliser un moule métallique permettant de maintenir l'entrefer constant et de résister ainsi aux fortes pressions. Plus on augmente le taux de renfort, pour une géométrie égale, plus la perméabilité du renfort diminue puisqu'on réduit la surface totale des micropores situées entre les fibres. D'après la loi de Darcy simplifiée, à géométrie équivalente, plus la perméabilité diminue plus la perte de charge dans l'outillage est importante. La technologie actuelle du RTM est limitée par cette augmentation de pression. En effet, ce procédé impose un entrefer constant dans un moule qui possède des limites de résistance mécanique à la pression. Selon la loi de Darcy simplifiée, si la pression est limitée, la longueur de l'écoulement devra être réduite. On ne peut donc pas, avec la technologie actuelle du RTM, augmenter le taux de renfort sans réduire la longueur d'écoulement. De plus, pour chaque renfort et chaque configuration, il existe une pression maximale à laquelle le renfort peut être soumis sans déformation. Au-delà de cette limite de déformabilité, le renfort est déplacé. Toutes les tentatives pour réaliser une pièce à haut taux de renfort en RTM, avec des longueurs d'injection classiques, n'ont pu aboutir dans de bonnes conditions, compte tenu notamment des problèmes posés par l'augmentation de la pression dans l'outillage. Le problème à la base de l'invention est de mettre en place une méthode et un moule pour la fabrication de pièces en matériaux composites à haut taux de renfort dans le procédé RTM, permettant de surmonter les inconvénients précités. L'invention propose à cet effet une méthode pour la fabrication de pièce en matériaux composites à haut taux de renfort en RTM, qui comprend les opérations suivantes ; (a) Mise en place des renforts à l'intérieur du moule RTM, constitué d'un poinçon et d'une matrice ; (b) Injection de résine à travers les renforts, et agrandissement de l'entrefer ; (c) Réduction de l'entrefer ; (d) Evacuation de la résine en utilisant au moins un évent ; (e) Polymérisation de la résine ; (f) Démoulage de la pièce ; L'agrandissement et la réduction de l'entrefer sont réalisés par une membrane mobile placée dans l'espace défini par le poinçon et la matrice. Ainsi, malgré le haut taux de renfort, la perméabilité du renfort est élevée puisque les fibres, situées dans un entrefer surdimensionné, ne sont pas trop compressées. La résine peut donc s'écouler facilement à travers le renfort sans induire une pression trop élevée. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le moule pourra être équipé d'évents pouvant tirer le vide dans l'entrefer, permettant ainsi de faciliter d'autant plus l'écoulement de la résine à travers les renforts. D'autres technologies permettent d'obtenir de hauts taux de renfort sur la base des matériaux composites précités, en particulier la technologie des tissus pré-imprégnés Les principaux avantages de l'invention, en comparaison avec les procédés utilisant des tissus préimprégnés, sont les suivants : - Intégration de fonctions, telle que l'ajout d'inserts ; - Utilisation de renforts en trois dimensions ; - Gestion fine des renforcements locaux ; - Diminution du coût des outillages et des matières premières, d'où une baisse du prix des pièces. Les principaux avantages de l'invention, en comparaison avec le procédé RTM classique, sont les suivants : - Augmentation du taux de renfort dans la pièce d'où une amélioration des caractéristiques mécaniques ; - Diminution du temps de cycle apporté par une perméabilité plus importante au moment de l'injection ; - Suppression des risques de détérioration des renforts à la fermeture du moule ; Ainsi la pièce est injectée entre un moule fixe et une membrane de forme adaptée et mobile grâce à un système extérieur de pression et dépression. Par l'expression membrane, de forme adaptée et mobile , on entend désigner une membrane qui présente initialement une forme géométrique choisie adaptée à celle de l'extérieur de la pièce et qui peut être, dans un premier temps, écartée des fibres pour permettre une perméabilité plus grande lors de l'injection et dans un second temps compressée sur les fibres composant la pièce pour évacuer l'excès de résine vers l'extérieur et obtenir ainsi un haut taux de renfort. Selon la pièce à réaliser, la membrane pourra être placée de telle manière à pouvoir compresser les fibres de renforcement sur le poinçon ou la matrice. Une telle membrane se distingue donc fondamentalement d'un contre-moule rigide d'un outillage métallique ou composite qui ne peut pas, contrairement à elle, permettre une augmentation de l'entrefer tout en gardant une étanchéité et qui ne détériore pas les renforts à la fermeture. La membrane réalisée en silicone ou tout autre matériau souple ne présentant pas d'adhérence avec la résine pourra être réutilisée autant de fois que nécessaire. Avantageusement le contre-moule accueillant la membrane, est composé de une ou plusieurs ouvertures faisant communiquer l'extérieur avec la membrane. Cette particularité permettra d'appliquer une pression sur la membrane. A l'opération (c), la compression de la membrane s'effectue par injection d'air. La pression ainsi produite, permet le compactage des renforts. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le moule pourra être placé dans un autoclave permettant de mettre le moule, au moment voulu, dans un environnement à pression et température choisies. Le moule une fois placée dans un environnement en pression, la membrane sera compressée sur les renforts afin de les compacter. L'utilisation d'un autoclave induit d'équiper le moule d'au moins un évent permettant de faire le vide dans l'entrefer et de récupérer la résine en excès. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe d'un moule RTM une fois habillé, selon l'invention et placé dans un autoclave ; - La figure 2 est une vue partielle en coupe du moule RTM, placé dans un autoclave, en cours d'injection d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort dans un entrefer surdimensionné à l'aide d'une membrane mobile et du moule ; La figure 3 est une vue partielle en coupe d'un moule RTM, placé dans un autoclave, dans la phase de compactage, après injection d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort dans un entrefer réduit à l'aide d'une membrane mobile. - La figure 4 est une vue partielle en coupe d'un moule RTM, mettant en valeur un exemple de fixation de la membrane. Le moule RTM représenté figure 1, placé dans l'autoclave (10), est composé d'un poinçon (1) et d'une matrice (2), comprend des fibres (4) préalablement placées dans l'entrefer (5) du moule. La membrane souple et mobile (3) peut subir une pression par l'intermédiaire de l'autoclave (10) communiquant par les conduits (7) et (8) ou par le flux de résine imprégnant les renforts (4). L'entrefer (5) est alors soit réduit, soit augmenté. L'injection s'effectue par les points d'injection (9), et la résine s'écoule à travers les renforts (4) entre le poinçon (1) et la membrane (3). Lorsque l'entrefer (5) est réduit, le compactage des renforts (4) permet l'évacuation de la résine en excès par l'évent (11). L'étanchéité du moule est réalisée par des joints (6). On décrira maintenant la réalisation du procédé de fabrication d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort en RTM aux figures 2 et 3. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, on forme une pièce par injection de résine (14) dans un moule dans lequel ont été placées préalablement des fibres de renforcement (4). Pour éviter les problèmes d'injection liés à une perméabilité trop faible, l'entrefer (5) doit être maximum. Pour cela la résine (14) imprégnant les renforts (4) exerce sur la membrane (3) un pression permettant a l'ensemble résine/renforts d'utiliser tout l'espace possible de l'entrefer (5). La résine imprègne les renforts depuis le point d'injection (9) et évolue selon le sens d'écoulement (13). L'écoulement est d'autant plus facile que le vide est fait dans l'entrefer (5) depuis l'évent (11). Une fois que les fibres (4) ont été entièrement imprégnées de résine (14), on exerce, à l'aide de l'autoclave (10), une pression dans l'espace (12) et donc sur la membrane (3) afin de la déplacer pour qu'elle puisse réduire l'entrefer (5) et compresser les fibres imprégnées (15) sur le poinçon (1) et évacuer l'excès de résine vers l'évent (11). Après que la résine soit polymérisée à température donnée. On démoule ensuite la pièce en séparant la matrice (2) et le poinçon (1) une fois la pression dans l'espace (12) remis à la pression atmosphérique. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, à titre non limitatif, la membrane (3) est placée dans la matrice (2). L'étanchéité du moule est réalisée par le joint (6). L'évent (7) permet de tirer le vide dans l'entrefer afin de faciliter l'écoulement de la résine dans les renforts (4) et de récupérer la résine en excès. La butée (5) permet de coordonner parfaitement l'ensemble poinçon (1) et matrice (2). La méthode, selon l'invention, de fabrication d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort en RTM, est particulièrement destinée aux pièces de structures et aux pièces utilisées dans les domaines de l'aéronautique, de l'automobile. REVENDICATIONS 1. Méthode de fabrication d'une pièce en matériaux composites à haut taux de renfort obtenue par le procédé RTM, caractérisée en ce qu'elle comprend les opérations suivantes : (a) Mise en place des renforts dans le moule RTM, constitué d'un poinçon (1) et d'une matrice (2) ; (b) Injection de résine (14) à travers les renforts (4), et agrandissement de l'entrefer (5) ; (c) Réduction de l'entrefer (5) ; (d) Evacuation de la résine en utilisant au moins un évent (11) ; (e) Polymérisation de la résine (15) ; (f) Démoulage de la pièce 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations (a), (b) et (c) s'effectuent par déplacement d'une membrane mobile (3) dans l'espace défini par le poinçon (1) et la matrice (2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération (b) s'effectue en utilisant au moins un évent (11) pour tirer le vide dans l'entrefer (5) et faciliter l'écoulement de résine (14) à travers les renforts (4). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération (c) s'effectue par création d'une pression sur la membrane (3) pour qu'elle soit compressée sur les renforts (4) et que l'espace contenant les fibres de renforcement (4) soit minimum. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pression subie par la membrane (3) soit crée par l'autoclave (10). 6. Moule pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une matrice (2), un poinçon (1), au mois un évent (11), caractérisé en ce que l'espace entre la matrice (2) et le poinçon (1) contient une membrane mobile (3). 7. Moule selon la revendication 6, caractérisé en ce que la membrane mobile (3) est de géométrie adaptée à celle de la pièce à injecter. 8. Moule selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la membrane (3) est réalisée en silicone, élastomère ou tout autre matériau souple sur lequel n'adhère pas la résine (14).