Brevet FR2835854A1 — publié le 20030815

La présente invention concerne la réalisation de préformes fibreuses, prévues pour être associées à des résines en vue de la constitution de pièces en matériaux composites, de préférence des pièces structurelles, utilisables dans des industries diverses et notamment dans l'industrie aéronautique et spatiale. La technologie de moulage par transfert de résine (procédé dit "RTM"), ou d'infusion de résine (procédé dit "RI"), suivi de sa polymérisation, sur ce type de préformes, permet de conférer des caractéristiques mécaniques optimales aux pièces et structures ainsi obtenues, tout en procurant un abaissement significatif des coûts. Des structures simples, telles que des pièces de section en I, H, T, CI ou u, ainsi que des structures plus complexes obtenues par l'assemblage de telles structures élémenaires, sont concernées par la présente invention, et peuvent être obtenues par le procédé de moulage par transfert de résine. Les préformes fibreuses brutes, dites aussi préformes"sèches", utilisées dans ce contexte, doivent répondre à un certain nombre de critères : - Utilisation de fibres continues à hautes performances, de type carbone HR (haute résistance), HM (haut module), IM (module intermédiaire), - Précision dimensionnelle, en vue d'une adaptation parfaite au moule, - Précision d'orientation des couches de fibres, et de répartition de ces couches, - Continuité des fibres, - Respect des linéarités des fibres dans tous les plans, l'objectif à atteindre étant l'obtention d'un taux volumique de fibres de l'ordre de 55 à 60%, et de caractéristiques mécaniques constantes et reproductibles. Actuellement, la réalisation de telles préformes"sèches"implique soit le passage par une étape textile (par exemple tissage, tricotage ou tressage préalable des fibres), soit une étape de dépose filamentaire (par fil unitaire ou fils groupés en nappes), puis une étape de couture ou piquage dans l'épaisseur, ou autre opération de liage mécanique, en vue d'assurer la liaison des différentes couches et procurer une tenue permettant la manipulation de l'ensemble. Ces techniques présentent encore des inconvénients, et en particulier elles sont la cause d'un abaissement des caractéristiques mécaniques, par des destructions d'une partie des filaments lors du tissage, ou par déformation des fils sur eux-mêmes, ou par ondulation du positionnement des fils, ce qui va à l'encontre des objectifs recherchés. En particulier, l'ondulation des fils aussi appelée "embuvage" diminue la rigidité, et elle peut créer des poches de résine, qui limitent les performances mécaniques du produit final. De plus, les opérations intermédiaires des techniques actuelles augmentent les coûts de transformation pour l'obtention des préformes fibreuses en question. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant une technique de réalisation différente pour de telles préformes, permettant l'obtention de caractéristiques mécaniques optimales tout en réduisant les coûts. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet une préforme fibreuse, du genre ici concerné, qui comprend une pluralité de couches superposées de fils, avec dans chaque couche des fils parallèles entre eux, les couches de fils successives étant assemblées entre elles par un liant, et les fils d'une couche possédant une direction différente de celle des fils d'au moins une autre couche. Ainsi, dans les préformes fibreuses conformes à la présente invention, les fils sont disposés parallèlement entre eux dans une couche, et ils sont déposés par couches successives permettant une alternance appropriée des angles définissant les directions de ces fils, avec un respect du drapage. Quel que soit leur nombre, les couches de fils sont assemblées entre elles par un liant approprié. L'invention permet donc la constitution de préformes"sèches"sans aucun liage mécanique ou textile, mais uniquement par un moyen physicochimique. Les coûts de fabrication de ces préformes s'en trouvent sensiblement réduits, par suppression d'une opération textile ou analogue, telle que tissage, tricotage, couture, cloutage ou agrafage, en permettant l'obtention de caractéristiques mécaniques optimales du fait de la non-détérioration des fils (il n'y a plus de filaments coupés) et du respect de la linéarité de ces fils. La linéarité, c'est-à-dire l'absence d'ondulation des fils, procure une meilleure rigidité de la pièce composite finale, et elle confère comme propriété supplémentaire, sur la préforme, un foisonnement naturel de cette préforme qui est inférieur ou égal à 5%, et permet de réduire la concentration de contraintes lors de la fermeture du moule utilisé dans le procédé de moulage par transfert de résine ; elle autorise aussi la réalisation de formes complexes, sans aucune restriction. En ce qui concerne le liant, on connaît des agents fixants ou liants de préformage, qui permettent par exemple de rigidifier des structures unidirectionnelles tissées. Cependant, jusqu'à présent, il n'a été fait aucune application de tels liants sur des fils non liés textilement, et il n'existait pas d'éléments permettant de prouver la permanence de structures multicouches, de formes simples ou complexes, assemblées au moyen de tels liants. Le liant utilisable pour la constitution des préformes fibreuses selon l'invention est, avantageusement, une formule monocomposante à base d'époxy TGMDA avec un durcisseur à base d'amine de type aromatique par exemple M-CDEA, le tout dans un solvant méthyle acétate afin de lui conférer la viscosité appropriée lors de son utilisation. Un tel liant présente l'avantage d'être totalement compatible avec les nouvelles résines d'injection structurelles "haute performance", utilisées dans le procédé de moulage par transfert de résine, et d'avoir fait ses preuves sur des produits textiles classiques unidirectionnels ou à deux dimensions, ou plus récemment sur des tissus multiaxiaux. De préférence, le taux de liant est inférieur à 15% de la masse totale de la préforme. L'utilisation de liants de la famille indiquée ci-dessus permet d'assembler des couches successives de fil, pour former des structures de section en I, U, T, D, etc... d'épaisseur et de largeur variable. Un assemblage de telles structures de forme élémentaire entre elles, par l'utilisation du même type de liant que celui assemblant les couches de fils de chaque structure de forme élémentaire, permet la réalisation de préformes de géométrie plus complexe : forme bilobée, échelle, panneau autoraidi, caisson, etc... Grâce à l'invention, on peut obtenir des préformes de longueurs supérieures à 5 mètres et de masses supérieures à 20 kilogrammes, sans dégradation des préformes et en respectant leur géométrie, de telles préformes pouvant être manipulées manuellement sans problèmes. En particulier, l'invention permet l'obtention directe de préformes aux cotes nominales, évitant ainsi toutes retouches ou autres opérations de finition, ce qui contribue aussi à la réduction des coûts. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'une telle préforme fibreuse : Figure 1 est une vue en perspective d'un tronçon d'une structure en l réalisée conformément à l'invention, avec indication des orientations des fils dans les différentes parties de la structure, et des proportions de ces fils ; Figure 2 est une vue en coupe très schématique de la structure de figure 1, avec indication des diverses couches de fils. L'exemple illustré est une préforme 1 de section en"i", avec une semelle inférieure 2 et une semelle supérieure 3, reliées par une âme 4. Pour la suite de l'explication, on considère comme direction à 00 la direction longitudinale X de la préforme 1. L'ensemble de cette préforme 1, c'est-à-dire les deux semelles 2 et 3 et l'âme 4, est constitué par une superposition de couches de fils parallèles entre eux, les couches de fils successives étant assemblées entre elles par un liant. Ces fils sont, par exemple, des fils de carbone à haute résistance, tels que du type "12000 filaments". Globalement, dans chaque semelle 2 ou 3, sont prévues des couches de fils orientés à 0 , des couches de fils orientés à 900, des couches de fils orientés à + 450 et de des couches de fils orientés à-45 , tous les fils étant parallèles au plan de la semelle 2 ou 3. Les fils orientés à 0 représentent, par exemple, environ 43% de la masse totale des fils. Les fils orientés à 900, à + 450 et à - 450 représentent, respectivement, environ 19% de la masse totale des fils. Dans l'âme 4, sont prévues des couches de fils orientés à 00, des couches de fils orientés à 90 , des couches de fils orientés à + 45 et des couches de fils orientés à-45 , tous les fils étant parallèles au plan de l'âme 4. Les fils orientés selon ces quatre directions représentent, respectivement, 25% de la masse totale des fils. Dans le détail, comme le montre la figure 2, sont prévues : des couches de fils appartenant en propre à la semelle inférieure 2, des couches de fils formant la partie supérieure de la semelle inférieure 2 et se prolongeant das l'âme 4, des couches de fils appartenant en propre à la semelle supérieure 3, et des couches de fils forment la partie inférieure de la semelle supérieure 3 qui proviennent de l'âme 4. Les pointillés de la figure 2 symbolisent les couches de fils 5 orientés à 00. Les traits continus 6 symbolisent des"blocs"groupant chacun une couche de fils orientés à 0 , une couche de fils orientés à 90 , une couche de fils orientés à + 450 et une couche de fils orientés à-45 , ces quatre couches se succédant dans l'ordre suivant : + 45 , 0 ,-45 , 90 . On notera aussi la symétrie de ces couches et/ou blocs de fils 5,6, tant dans les deux semelles 2 et 3 que dans l'âme 4 (symétrie"miroir"par rapport au plan médian des parties concernées). Les différentes couches superposées sont assemblées par un liant, tel que celui commercialisé par la Société STRUCTIL sous la référence ST 1153, le liant pouvant représenter environ 15% de la masse totale de la préforme 1. Pour la fabrication de cette préforme 1, le procédé mis en oeuvre consiste à déposer les fils parallèlement entre eux et par couches successives, avec alternance appropriée des orientations de ces fils, en amenant et déposant le liant entre les couches de fils 5 successives. L'amenée et la dépose du liant sont réalisables soit par vaporisation, soit par un transfert par voie humide, notamment du type enduction ou lécher ou plein bain. L'on peut ainsi réaliser une préforme en"i"de hauteur H égale à environ 100 mm, et d'une longueur pouvant être comprise entre quelques centimètres et plusieurs mètres, avec deux semelles 2 et 3 d'épaisseur E égale à environ 8 mm, et une âme d'épaisseur e égale à environ 4 mm. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette préforme fibreuse qui a été décrite ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en modifiant le nombre des couches de fils, et/ou l'orientation de ces fils ; - en utilisant des fils de toutes matières appropriées : fils en fibre de verre, fils en aramide, etc... - en utilisant un autre liant pour l'assemblage des couches de fils ; - en formant, par superposition et assemblage des couches de fils, des préformes de toutes sections, épaisseurs et longueurs, éventuellement de formes complexes obtenues par l'assemblage de structures de forme élémentaire, avec utilisation du même type de liant ; - en utilisant toute technique pour l'amenée et la dépose du liant entre les couches de fils successives. REVENDICATIONS 1-Préforme fibreuse (1) du genre de celles prévues pour être associées à des résines en vue de la constitution de pièces en matériaux composites, de préférence des pièces structurelles, caractérisée en ce quelle comprend une pluralité de couches superposées de fils (5,6), avec dans chaque couche des fils parallèles entre eux, les couches de fils (5,6) successives étant assemblées entre elles par un liant, et les fils d'une couche possédant une direction différente de celle des fils d'au moins une autre couche. 2-Préforme fibreuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liant est une formule monocomposante à base d'époxy TGMDA avec un durcisseur à base d'amine de type aromatique par exemple M-CDEA, le tout dans un solvant méthyle acétate. 3-Préforme fibreuse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le taux de liant est inférieur à 15% de la masse totale de la préforme (1). 4-Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisée en ce qu'elle constitue une structure de section en I, U, TOU D. 5-Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle résulte de l'assemblage de structures de forme élémentaire, par l'utilisation du même type de liant que celui assemblant les couches de fils de chaque structure de forme élémentaire. 6-Préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle résulte de la superposition de couches de fils orientés à 0 , de couches de fils orientés à 90 , de couches de fils orientés à + 45 et de couches de fils orientés à-45 . 7-Préforme fibreuse selon l'ensemble des revendications 4 et 6, caractérisée en ce que, dans le cas d'une préforme (1) de section en"i", avec une semelle inférieure (2), une semelle supérieure (3) et une âme (4), sont prévues des couches de fils appartenant en propre à la semelle inférieure (2), des couches de fils formant la partie supérieure de la semelle inférieure (2) et se prolongeant dans l'âme (4), des couches de fils appartenant en propre à la semelle supérieure (3), et des couches de fils formant la partie inférieure de la semelle supérieure (3) qui proviennent de l'âme (4). 8-Procédé de fabrication d'une préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer les fils parallèlement entre eux et par couches (5, 6) successives, avec alternance appropriée des orientations de ces fils, en amenant et déposant le liant entre les couches de fils successives. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'amenée et la dépose du liant sont réalisées par vaporisation. 10-Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'amenée et la dépose du liant sont réalisées par un transfert par voie humide, notamment du type enduction ou lécher ou plein bain.