Brevet FR2909919A1 — publié le 20080620

Procédé de fabrication d'une pièce complexe en matériau composite à fibres longues et à matrice thermodurcissable Le présente invention appartient au domaine de la fabrication des pièces réalisées en partie au moins avec un matériau composite comportant des fibres longues dans une matrice organique thermodurcissable. L'invention concerne un procédé de fabrication particulièrement adapté à la fabrication d'une pièce plus ou moins complexe pouvant être réalisée à partir de plusieurs éléments composant la pièce après assemblage. Les matériaux composites sont aujourd'hui largement utilisés pour la fabrication de pièces dans de nombreux domaines industriels, y compris pour des pièces structurales, c'est à dire devant supporter des efforts significatifs lors de leur utilisation. De nombreux matériaux composites existent, les plus répandus étant constitués de fibres plus ou moins longues de matières minérales ou organiques (verre, carbone, aramide...) contenus dans une matrice formée par une résine organique dure. Parmi les nombreux matériaux composites utilisés et les nombreux procédés de mise en oeuvre associés, une des catégories la plus répandue en raison en particulier de son coût raisonnable est associée aux matériaux préimprégnés thermodurcissables. Dans cette catégorie de pièces en matériaux composites, des rubans de fibres longues préimprégnées de résine devant entrer dans la réalisation d'une pièce sont travaillés dans un premier temps, c'est à dire découpés et mises en forme par exemple en utilisant un moule en creux ou en relief. La résine qui imprègne les fibres n'est pas polymérisée à un stade significatif et présente généralement à ce stade un état pâteux. Les rubans de fibres longues préimprégnées, par exemple en nappes ou sous forme tissée, n'ont alors aucune rigidité ce qui permet de leurs faire épouser au plus près les formes des moules. 2909919 2 Lorsque toutes les parties de la pièce ont été déposées sous cette forme la pièce est soumise à une opération de cuisson, une cuisson thermique suivant un cycle adapté à la résine utilisée, qui a pour effet de durcir de manière irréversible la résine par polymérisation. Cette cuisson thermique est 5 généralement effectuée en appliquant une pression sur la pièce à certaines étapes de ladite cuisson afin de drainer par fluage, avant son durcissement, la résine excédentaire pour obtenir un taux de fibres aussi élevé que possible dans la matière finie constituant la pièce et également d'éliminer autant que possible les traces de porosité. 10 Le plus souvent les matériaux utilisés sont livrés aux ateliers devant assurer leur mise en forme déjà préimprégnés, la préimprégnation étant elle même une opération complexe et spécialisée, et sont conservés à basses températures pour éviter qu'ils ne durcissent à la température ambiante avant leur mise en oeuvre. 15 Lorsqu'une pièce complexe doit être réalisée en matériau composite, les opérations consistant à déposer des fibres préimprégnées peuvent être délicates à réaliser en particulier quant la qualité et la reproductibilité des résultats sont essentielles. Par pièce complexe il faut comprendre une pièce comportant des zones 20 dont les formes rendent la dépose des fibres longues préimprégnées sur le moule correspondant difficile voir impossible. Ce peut être le cas par exemple d'un panneau raidi comme celui présenté sur la figure la comportant une peau 2 d'épaisseur constante ou variable et des éléments raidisseurs 3 sur une ou sur les deux faces de ladite peau. Les raidisseurs peuvent avoir des formes variées, par 25 exemple des formes dites en Q, en Z, en U ou en L comme illustré sur la figure 1c, dont certaines sont difficiles à extraire du moule après le durcissement, par exemple des raidisseurs présentant une section en forme de Z, voir impossible à extraire du moule par les méthodes conventionnelles comme les raidisseurs en Q de la figure la ou la figure lb. La solution la plus répandue lorsque industriellement il est renoncé à la réalisation de la pièce en une seule étape consiste à déterminer dans la pièce 2909919 3 complexe différents sous-ensembles comme illustré sur la figure lb constituants chacun un élément qui sera réalisé individuellement avec le matériau composite, puis à assembler les différents éléments déjà durcis par collage ou par d'autres méthodes connues d'assemblage. 5 Ainsi dans l'exemple des figures la et lb les raidisseurs 3 sont réalisés en matériaux durcis sur des moules spécialisés, la peau est réalisée sur un autre moule et ensuite les différents éléments durcis sont assemblés. Cette méthode est largement utilisée mais elle a le défaut d'assembler des pièces devant avoir été réalisées avec des tolérances de dimensions et de 10 formes serrées, aussi proche que possible de celles de la pièce définitive, et de plus elle implique un assemblage ultérieur des éléments qui ne permet pas d'obtenir l'homogénéité obtenue lorsque les éléments sont durcis en contact au cours d'une même cuisson thermique de polymérisation. 15 Le procédé suivant l'invention évite la plupart des inconvénients des procédés connus pour la réalisation de pièces en matériaux composites thermodurcissables sans diminuer les performances structurales obtenues pour la pièce réalisée. Pour cela une pièce en matériau composite à base de rubans de fibres 20 longues préimprégnées d'au moins une résine thermodurcissable, durcissant de manière irréversible au cours d'une cuisson thermique de polymérisation, et comportant deux ou plusieurs éléments assemblés est soumise au cours du processus de réalisation de ladite pièce à une cuisson thermique de durcissement par polymérisation de manière connue. Suivant le procédé au moins un premier 25 élément constituant une sous-structure de la pièce est réalisé, isolément de la pièce, à base de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable et est soumis lors d'une étape du procédé à une cuisson thermique partielle ayant pour effet de polymériser partiellement la résine dudit premier élément. Cette polymérisation partielle est d'une part menée jusqu'à un stade où le premier 30 élément a acquis une stabilité dimensionnelle suffisante qui permet de le manipuler et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication 2909919 4 de la pièce et elle est d'autre part limitée à un stade où le matériau constituant ledit premier élément a des propriétés rhéologiques comparables à celles de matériaux composites thermoplastiques permettant un formage plastique de type tôlerie dudit premier élément en élevant sa température au moins localement 5 pour que la forme dudit premier élément puisse être modifiée. Ainsi les formes géométriques données au premier élément réalisé isolément sont à la fois stables et modifiables et la résine dudit premier élément est apte à créer de nouvelles liaisons moléculaires en raison de sa polymérisation qui n'a pas été menée à maturité. Avantageusement, le stockage de ces éléments peut se faire à 10 température ambiante en l'absence d'appareil de réfrigération coûteux. Le premier élément est conformé lors du drapage des rubans de fibres longues préimprégnées de résine thermodurcissable ou bien n'est que partiellement conformé et subit, après avoir été soumis à la cuisson thermique partielle, une étape de formage plastique associée à une élévation, au moins 15 localement, de la température du matériau constituant ledit premier élément. Avantageusement, lorsque la forme du premier élément le permet une plaque sensiblement plane est réalisée en matériau composite thermoducissable ayant subit une cuisson thermique partielle puis est conformée par découpage, pliage ou formage de la plaque en utilisant les caractéristiques thermoplastiques 20 acquises par ladite plaque. Ledit au moins un premier élément soumis à une cuisson thermique partielle est assemblé avec au moins un second élément à base de rubans de fibres longues préimprégnées d'une résine thermodurcissable pour former la pièce à réaliser avant le durcissement complet de la résine du second élément, et 25 ledit premier élément et le dit second élément sont soumis à une cuisson thermique commune de polymérisation complète des résines des dits premiers et seconds éléments de sorte que se crée une interdiffusion des chaînes macromoléculaires des résines à l'interface des éléments formant la pièce, et que soit obtenu un degré final homogène de cuisson dans toute la pièce 30 Dans un premier mode de mise en oeuvre les premiers éléments et les seconds éléments sont assemblés à un stade où les fibres préimprégnées 2909919 5 utilisées dans les seconds éléments n'ont été soumises à aucun cycle thermique de durcissement ce qui s'avère intéressant lorsque le ou les premiers éléments sont faciles à placer sur les fibres des seconds éléments. Dans un second mode, préféré lorsque les seconds éléments doivent être 5 sortis d'un moule et ou être conformer avant de placer les premiers éléments, les premiers éléments et les seconds éléments sont assemblés à un stade où les fibres préimprégnées utilisées dans les seconds éléments ont également été soumises à une cuisson thermique partielle. Pour garantir la qualité des liaisons entre les différents éléments la résine 10 thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres des premiers éléments et celles utilisées pour imprégner les fibres des seconds éléments sont chimiquement compatibles pour être aptes à créer des liaisons moléculaires lors de la cuisson thermique commune. Avantageusement la même résine thermodurcissable est utilisée pour imprégner les fibres des différents éléments. 15 Suivant le procédé les éléments ou des plaques ayant été soumis à une cuisson thermique partielle sont stockés à température ambiante en vue d'un assemblage ultérieur, avec ou sans thermoformage préalable afin d'optimiser les cycles de production des pièces. 20 Le procédé suivant l'invention est décrit en référence aux figures qui représentent : Figure 1 : à titre d'exemple un panneau raidi représentant une pièce complexe en matériau composite, assemblé sur la figure la et avec les différents éléments séparés sur la figure lb, et figure 25 1c des exemples de profils de raidisseurs ; Figure 2 : les étapes du procédé de fabrication du panneau raidi. Suivant le procédé de l'invention présenté figure 2, une pièce complexe en matériau composite est réalisée à partir de rubans de fibres longues 30 préimprégnées par une résine thermodurcissable. Par ruban on entend tout agencement plat et unidirectionnel de fibres 2909919 6 longues préparé indépendamment d'une pièce à réaliser en vu de faciliter le dépôt des fibres. Dans la suite de l'exposé, le procédé sera détaillé pour la réalisation d'un panneau raidi 1 du même type que celui présenté sur la figure 1 sans que cet 5 exemple soit restrictif. Le panneau raidi de la figure la comporte une peau 2, dont l'épaisseur peut être sensiblement constante ou, comme c'est le cas le plus fréquent dans les structures dans lesquels il est recherchée la masse la plus réduite possible, varier suivant l'emplacement considéré du panneau en fonctions des contraintes 10 locales appliquées audit panneau. Le panneau raidi 1 comporte également au moins un raidisseur 3, par exemple un raidisseur dit en Q dont la partie ouverte est solidaire d'une des faces de la peau 2. Dans une première étape la pièce complexe, le panneau raidi 1, est décomposée en éléments ou sous-ensembles comme présenté sur la figure lb, la 15 peau 2 d'une part et le au moins un raidisseur 3 d'autre part, aptes à être mis en forme séparément et à être assemblés pour constituer la pièce complexe voulue. Dans une seconde étape 30 au moins un des premiers éléments, par exemple le au moins un raidisseur 3, est réalisé avec le matériau préimprégné thermodurcissable choisi pour réaliser la pièce. 20 Cette seconde étape 30 comporte des variantes mais elle est caractérisée par le fait qu'elle comporte une phase de cuisson thermique 32, dite cuisson thermique partielle, qui à pour effet de polymériser partiellement la résine de telle sorte: qu'elle donne à la température ambiante d'un atelier, autour de 20 C, une 25 rigidité propre à l'élément réalisé lui permettant de conserver sensiblement sa forme lorsqu'il n'est pas soumis à des contraintes mécaniques significatives et de pouvoir être stocké sur de longues périodes, à l'échelle de temps des procédés industriels de fabrication considérés, sans évolution chimique significative de la résine ; 30 qu'une élévation de température temporaire ultérieure conduit à un abaissement de la rigidité du matériau composite constituant l'élément lui 2909919 7 conférant des caractéristiques physiques et rhéologiques similaires à celles d'un matériau composite thermoplastique. Ladite phase de cuisson thermique partielle est par exemple une cuisson thermique de durcissement du matériau thermodurcissable normalement utilisée 5 pour polymériser et durcir le matériau composite et qui est interrompue avant la gélification complète de la résine, c'est à dire le point dans le processus de polymérisation où la densité du réseau tridimensionnel des chaînes moléculaires au sein de la résine a atteint un stade pour lequel ladite résine n'a plus les caractéristiques suffisantes pour une mise en oeuvre conventionnelle des fibres 10 préimprégnées. Le moment auquel il est souhaitable d'interrompre la cuisson thermique est fonction du type de résine utilisée. Il est déterminé , par exemple expérimentalement, auprès du point de la gélification de ladite résine. Le procédé utilise donc une propriété dite de thermoplasticité que les matériaux thermodurcissables, normalement insensibles à la chaleur après 15 polymérisation (dans les limites de la stabilité chimique de la résine polymérisée), ont temporairement au cours du processus normal de durcissement par polymérisation. A la connaissance de l'inventeur aucun procédé de réalisation de pièces structurales en matériau composite connu n'utilise les caractéristiques 20 thermoplastiques obtenues au moyen d'une cuisson thermique partielle de polymérisation d'un matériau thermodurcissable. Dans une méthode de mise en oeuvre de la seconde étape 30 du procédé, le matériau préimprégné est déposé 31 sur une forme, en creux ou en relief, pour donner à l'élément une forme proche de celle qu'il doit avoir dans la 25 pièce complexe. Par exemple les fibres préimprégnées sont déposées dans une forme en creux ayant la forme extérieure du raidisseur 3. Cette opération est par exemple réalisée en drapant manuellement ou au moyen d'une machine à draper des nappes de fibres préimprégnées. 30 En association avec des pressions adaptées au matériau, l'élément est soumis à la cuisson thermique partielle 32 puis est dégagé de la forme sur 2909919 8 laquelle il a été mis en forme. On notera qu'à ce stade, après retour de l'élément à la température ambiante, la polymérisation de la résine est très ralentie et que l'élément peut être stocké 33 au minimum six mois, suivant les essais réalisés, dans des conditions ambiantes lorsque la température est maintenue en dessous 5 de 40 centigrade avec une hygrométrie relative inférieure à 60% sans que ses propriétés dites thermoplastiques n'évoluent sensiblement. Le cas échéant, après le démoulage de l'élément, ses propriétés thermoplastiques sont utilisées pour modifier localement sa forme. Par exemple un raidisseur 3 est avantageusement réalisé dans un moule rectiligne puis subit 10 un formage thermoplastique 34 destiné à lui donner des courbures et ou des vrillages adaptés à son emplacement de destination sur le panneau 1. Un même moule peut ainsi être utilisé pour former des raidisseurs ayant sensiblement les mêmes sections mais différents dans leurs formes finales. Dans une autre méthode de mise en oeuvre de la seconde étape 30 du 15 procédé, des plaques sensiblement planes sont réalisées 31 avec le matériau préimprégné puis sont soumises à la cuisson thermique partielle 32 pour obtenir des plaques ayant des propriétés thermoplastiques. Ces plaques, réalisées avec l'épaisseur voulue pour l'élément, par exemple l'épaisseur des parois du raidisseur, sont alors découpées puis thermoformées 34 pour réaliser l'élément 3. 20 Le thermoformage est réalisé suivant des méthodes conventionnelles telles par exemple que le pliage ou le formage entre une forme et une contre-forme. L'avantage de cette solution est qu'il est aisé et peu coûteux de réaliser des plaques planes, qui peuvent être produites en séries et stockées sans difficulté à température ambiante en attendant leur utilisation, et que diverses techniques de 25 thermoformage sont connues et maîtrisées. Dans une troisième étape 20 du procédé, un second élément de la pièce, par exemple la peau 2 du panneau 1, est préparé suivant une méthode conventionnelle en déposant 21, par exemple en drapant des nappes de fibres, des fibres préimprégnées d'un matériau thermodurcissable sur une forme ou 30 dans un moule. On remarquera que l'ordre d'exécution des étapes 30 et 20 du procédé 2909919 9 n'est pas imposé et résulte d'un choix industriel correspondant à l'ordre de préparation des éléments 2, 3. En particulier les dites étapes peuvent être simultanées ou même imbriquées dans le temps. Dans une quatrième étape 40 du procédé dite d'assemblage, le au moins 5 un premier élément, par exemple un raidisseur 3, réalisé au cours de la seconde étape du procédé, et le cas échéant d'autres éléments tels que d'autres raidisseurs préparés suivant le cycle de la seconde étape 30 du procédé, est positionné contre le matériau thermodurcissable du second élément préparé lors de la troisième étape, la peau 2, en fonction de l'emplacement que ledit au moins 10 un premier élément, le raidisseur 3, doit avoir dans la pièce à réaliser, le panneau raidi 1. La mise en place dudit au moins un premier élément, le raidisseur 3, s'avère beaucoup plus aisé que dans les méthodes connues. D'une part ledit élément présente une certaine rigidité à température 15 ambiante et une stabilité qui permet de le manipuler sans moyens particuliers tels que des moules ou des noyaux porteurs de fibres préimprégnées non durcies nécessaires dans les procédés connus. D'autre part ledit élément reste suffisamment peu rigide pour être aisément conformé à la forme voulue lors de son positionnement et maintenu à 20 l'emplacement voulu contre l'autre élément, contrairement aux procédés qui assemblent des éléments totalement polymérisés trop rigides pour être sensiblement déformés. Dans une cinquième étape 50 du procédé, les éléments assemblés sont soumis à une cuisson thermique complète qui a pour effet de provoquer la 25 polymérisation complète de la résine des fibres préimprégnées utilisées pendant la troisième étape 20 du procédé, le matériau de la peau 2, et de terminer la polymérisation de la résine des fibres préimprégnées utilisées pendant la seconde étape 30 et ayant subit une cuisson thermique partielle, le matériau du raidisseur 3. 30 Par polymérisation complète, il faut comprendre le niveau de polymérisation des résines utilisées qui est atteint dans les procédés 2909919 10 conventionnels lorsqu'il est considéré que le matériau composite a acquis des caractéristiques mécaniques stables admises comme définitives. Au cours de cette étape 50 les chaînes moléculaires de la résine du au moins un premier élément, du raidisseur 3, ayant subit une cuisson thermique 5 partielle sont encore en mesure de créer des liaisons avec la résine du second élément, de la peau 2, n'ayant pas subit cette cuisson partielle lorsque les résines utilisées sont chimiquement compatibles ce qui permet de solidariser les éléments de la pièce, la peau 2 et le raidisseur 3, en raison des chaînes moléculaires longues qui interdiffusent dans la matière des deux éléments 10 assemblés, avec des performances équivalentes à celles obtenue par les procédés connus de cuisson simultanée des éléments n'ayant pas subit de cuisson thermique partielle. Les résines thermodurcissables des fibres préimprégnées utilisées pour les différents éléments composant la pièce sont de préférence des résines ayant 15 une bonne affinité moléculaire. Dans un mode particulier de mise en oeuvre, les résines des différents éléments, peau 2 et raidisseur 3, sont les mêmes. Dans une variante du procédé, représentée par des étapes facultatives encadrées par des traits discontinus sur le schéma de la figure 2, les différents éléments, peau 2 et raidisseur 3, devant constituer la pièce sont réalisés en 20 appliquant la seconde étape du procédé, le second élément, la peau 2, étant donc soumis lui aussi à une cuisson thermique partielle. Dans cette variante, la troisième étape 20 du procédé décrit précédemment est donc remplacée par une étape équivalente à la seconde étape 30. Dans ce cas la cuisson thermique de la cinquième étape 50 peut être 25 adaptée pour tenir compte du fait que tous les éléments de la pièce ont déjà été soumis à une cuisson thermique partielle 32, 22. Ainsi le procédé suivant l'invention permet de réaliser une pièce en matériau composite à base de fibres préimprégnées de résine thermodurcissable en simplifiant les opérations de manipulation des éléments constituant la pièce et 30 avec des outillages également simplifiés. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une pièce (1) structurale en matériau composite à base de rubans de fibres longues préimprégnées d'au moins une résine thermodurcissable, résine apte à polymériser et à durcir de manière irréversible au cours d'une cuisson thermique, soumise au cours du processus de réalisation de ladite pièce à une cuisson thermique (50) de durcissement par polymérisation caractérisé en ce que au moins un premier élément (3) constituant une partie de la pièce (1) est réalisé (31) isolément de la pièce (1) à base de rubans de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable et est soumis lors d'une étape du procédé à une cuisson thermique partielle (32) ayant pour effet de polymériser partiellement la résine dudit premier élément d'une part jusqu'à un stade où le premier élément (3) a acquis une stabilité dimensionnelle suffisante pour assurer sa manipulation et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce (1) et d'autre part limitée à un stade où le matériau constituant ledit premier élément a des propriétés thermoplastiques permettant un formage plastique (34) dudit premier élément en élevant sa température au moins localement. 2 Procédé suivant la revendication 1 dans lequel le premier élément (3) est conformé, au moins partiellement, lors du dépôt (31) des rubans de fibres préimprégnées de résine thermodurcissable. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le premier élément (3) après avoir été soumis à la cuisson thermique partielle (32) subit une étape de formage plastique (34) associée à une élévation, au moins localement, de la température du matériau constituant ledit premier élément. 2909919 12 4 Procédé suivant la revendication 3 dans lequel le premier élément (3) est formé (34) à partir d'une plaque sensiblement plane, réalisée (31) à partir de fibres préimprégnées de résine thermodurcissable, ayant été soumise à une cuisson thermique partielle (32). 5 5 û Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un second élément (2) de la pièce (1) est réalisé (21) au moyen de rubans de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable et dans lequel le premier élément (3) ayant été soumis à une cuisson thermique partielle est 10 assemblé (40) avec ledit second élément avant durcissement complet de la résine du second élément, et de soumettre ledit premier élément et le dit second élément à une cuisson thermique (50) commune de polymérisation complète des résines des dits premier et second éléments. 15 6 û Procédé suivant la revendication 5 dans lequel le premier élément (3) et le second élément (2) sont assemblés (40) à un stade où les fibres préimprégnées utilisées dans le second élément (2) n'ont été soumises à aucun cycle thermique de durcissement. 20 7 -Procédé suivant la revendication 5 dans lequel le premier élément (3) et le second élément (2) sont assemblés (40) à un stade où les fibres préimprégnées utilisées dans le second élément (2) ont été soumises à une cuisson thermique partielle (22) ayant pour effet de polymériser partiellement la résine jusqu'à un stade où le second élément (2) acquière 25 une stabilité dimensionnelle suffisante pour assurer sa manipulation et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce (1) et limitée à un stade où le matériau constituant ledit second élément a des propriétés thermoplastiques permettant un formage plastique (24) dudit second élément en élevant sa température au moins localement. 8 û Procédé suivant l'une des revendications 5, 6 ou 7 dans lequel la résine 2909919 13 thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du premier élément (3) et la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du second élément (2) sont chimiquement compatibles pour être aptes à créer des liaisons moléculaires lors de la cuisson thermique commune (50). 9 - Procédé suivant la revendication 8 dans lequel la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du premier élément (3) est la même que la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du second élément (2). 10 10 û Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un ou plusieurs éléments (2, 3) et ou une ou plusieurs plaques ayant été soumis à une cuisson thermique partielle (22, 32) sont stockés à température ambiante en vue d'un assemblage (40) ultérieur, avec ou sans 15 thermoformage (24, 34) préalable. 5