Brevet FR2920336A1 — publié le 20090306

METHODE ET DISPOSITIF D'ANALYSE DES PROCEDES DE FABRICATION DE PIECES EN MATERIAUX COMPOSITES, PAR INFUSION OU INJECTION, ET DE CARACTERISATION DE CES MATERIAUX COMPOSITES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une méthode permettant d'analyser des procédés de fabrication de pièces en matériaux composites, par infusion ou injection, et de caractériser les matériaux composites qui sont formés pendant la fabrication des pièces. Elle concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre de cette méthode. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Il est important de comprendre les phénomènes physiques qui ont lieu pendant qu'un tel procédé est mis en oeuvre, d'analyser ce procédé pour maîtriser les paramètres qui le régissent et d'étudier le comportement du matériau composite pendant les différentes étapes de sa fabrication ainsi que les caractéristiques de ce matériau. Ces études permettent - d'optimiser le procédé, c'est-à-dire de choisir les paramètres de ce procédé en fonction de la qualité souhaitée pour les pièces fabriquées par le procédé, et - de connaître les propriétés du matériau constituant les pièces fabriquées. On est alors capable de - maîtriser l'évolution de la famille des procédés, - maîtriser l'application de tels procédés à d'autres familles de pièces, composées d'autres matériaux et/ou ayant d'autres géométries, et réduire les coûts et temps de développement des gammes de fabrication. Or, jusqu'à présent, rien n'a été fait dans ce domaine. Tout au plus aût-on mesuré la température du fluide destiné à former le matériau composite. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de combler cette lacune. De façon précise, la présente invention a pour objet une méthode pour analyser un procédé de fabrication de pièces en au moins un matériau composite, par infusion ou injection, et pour caractériser le matériau composite, ce matériau composite comprenant au moins une matrice et un renfort noyé dans la matrice, procédé dans lequel : - on place le renfort sur la surface d'un outil, - on recouvre le renfort par une membrane souple ou une pluralité de membranes souples, - on scelle cette membrane souple ou cette pluralité de membranes souples contre la surface de l'outil, et - on introduit un fluide destiné à former la matrice dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, cette méthode étant caractérisée par le fait que l'on mesure l'altitude d'au moins un point de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps. Selon un mode de réalisation préféré de cette méthode, on mesure cette altitude dans au moins une zone de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps ; remarquons que, dans ce cas, on mesure l'altitude en une infinité de points. Pour ce faire, l'altitude est de préférence mesurée au moyen d'un capteur optique. Dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on éclaire la zone au moyen d'une source de lumière structurée et le capteur optique comprend une caméra qui observe la zone ainsi éclairée. Dans la présente invention, on mesure en outre, de préférence, l'altitude en au moins un point de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps, au moyen d'au moins un capteur tactile. Dans l'invention, l'altitude peut être mesurée pendant l'indroduction du fluide ou avant cette introduction du fluide. Dans la présente invention, on mesure en outre, de préférence, la pression régnant dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, en fonction du temps. De préférence on mesure en outre la propagation du fluide dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil. On température en On moins un point mesure aussi, de préférence, la au moins un point du matériau composite. peut aussi mesurer la température en au de la face externe de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps. On peut aussi mesurer la température en au moins un point de l'outil. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'outil muni de la membrane souple ou de la pluralité de membranes souples est placé dans une enceinte et l'on mesure en outre la température régnant dans cette enceinte. Selon un autre mode de réalisation particulier, on prévoit au moins un conduit d'arrivée du fluide dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, et l'on mesure en outre la température du fluide dans ce conduit. La présente invention concerne aussi un dispositif pour analyser un procédé de fabrication de pièces en au moins un matériau composite, par infusion ou injection, et pour caractériser le matériau composite, ce matériau composite comprenant au moins une matrice et un renfort noyé dans la matrice, procédé dans lequel : - on place le renfort sur la surface d'un outil, - on recouvre le renfort par une membrane souple ou une pluralité de membranes souples, - on scelle cette membrane souple ou cette pluralité de membranes souples contre la surface de l'outil, et - on introduit un fluide destiné à former la matrice dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe de mesure de l'altitude d'au moins un point de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée, qui est une vue en coupe schématique d'une installation permettant de fabriquer des pièces en matériau composite par infusion sous membrane, cette installation étant munie de divers capteurs permettant de mettre en oeuvre une méthode conforme à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans l'exemple représenté sur cette figure, on voit donc une installation permettant la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de pièces en matériau composite, telles que la pièce 2. Dans cet exemple, il s'agit d'un procédé par infusion sous membrane et le matériau composite comprend une matrice organique 4 et un renfort 6 qui est noyé dans cette matrice. Ce renfort 6 est par exemple constitué de fibres de carbone, de verre ou de Kevlar (marque déposée). L'installation comprend un outil ou outillage 8 et une enceinte 10 formant une étuve et contenant l'outil 8. Dans cette enceinte, on prévoit des organes de régulation thermique de l'enceinte, qui sont symbolisés par le bloc 12. L'installation comprend aussi au moins un conduit 14 d'arrivée d'une résine destinée à former la matrice. Une extrémité de ce conduit débouche au niveau de la surface 16 de l'outil, sur laquelle le renfort 6 est destiné à reposer, tandis que l'autre extrémité du conduit 14 est reliée à des moyens (non représentés) d'alimentation en résine. De plus, l'installation comprend un autre conduit 18 dont une extrémité débouche au niveau de cette surface 16 et dont l'autre extrémité est reliée à un moyen de tirage du vide 20. Dans l'exemple, pour fabriquer la pièce 2 en matériau composite, on place le renfort 6 sur la surface 16 de l'outil 8 ; un drainant de résine 22 est toutefois prévu entre la surface et le renfort dans cet exemple. On recouvre ensuite le renfort par une membrane souple 24, en faisant en sorte que les conduits 14 et 18 aboutissent dans l'espace délimité par cette membrane souple et l'outil ; et l'on scelle cette membrane souple contre la surface de l'outil grâce à un organe d'étanchéité 26. Ensuite, on fait le vide dans l'espace mentionné ci-dessus grâce au moyen de tirage 20, de sorte que la résine est attirée dans cet espace et remplit ce dernier ; puis on élève la température dans l'enceinte - pour ce faire, les organes de régulation thermique 12 comprennent par exemple une résistance chauffante - et l'on régule cette température jusqu'à ce que la résine soit polymérisée. Dans l'exemple, pour mettre en oeuvre la présente invention, on mesure l'altitude d'une zone 28 de la membrane souple 24 en fonction du temps ; cette zone est, comme on le voit, au dessus du renfort 6 et l'on mesure l'altitude par rapport à la surface de l'outil 8. Pour cette mesure, on utilise un capteur optique comprenant une caméra 30 qui observe la zone 28. Cette caméra est associée à une source de lumière structurée 32 avec laquelle on éclaire la zone 28. En outre , la caméra 30 est munie d'un système 34 de traitement des signaux fournis par cette caméra en vue de déterminer l'altitude de la zone 28. On précise que l'enceinte 10 comporte une fenêtre 36 en regard de la zone 28 et permettant le passage de la lumière structurée et l'observation de la zone par la caméra. La projection de lumière structurée sur la zone étudiée 28 engendre des franges mobiles que l'on observe grâce à la caméra et qui permettent de déterminer l'altitude par triangulation de façon connue. Dans l'exemple représenté, on mesure en outre l'altitude de la membrane souple en un ou plusieurs points de celle-ci, tels que les points A, B, en fonction du temps. Pour ce faire, on utilise un ou plusieurs capteurs tactiles 38, 40. Comme on le voit sur la figure, ces capteurs tactiles sont montés sur un support 42 dont la partie située au dessus de la zone étudiée 28 est bien entendu transparente. L'altitude de la zone 28 et des points A et B de celle-ci peut être mesurée pendant l'introduction de la résine dans l'espace délimité par l'outil et la membrane et avant cette introduction, c'est-à-dire pendant l'application du vide. La mesure d'altitude sur l'ensemble de la zone 28 grâce à la caméra permet d'étudier la planéité de cette zone et de mettre en évidence d'éventuelles zones de défauts, chose que l'on ne pourrait faire à l'aide de capteurs ponctuels. L'utilisation des capteurs tactiles permet de confirmer les mesures optiques effectuées grâce à la caméra. Il convient de noter que ces capteurs tactiles permettent de faire des mesures continues en fonction du temps alors que la caméra ne permet que des mesures discontinues en fonction du temps. En outre, la mesure d'altitude avant l'introduction du fluide constitué par la résine dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple permet de savoir comment se comporte le renfort 6 avant cette introduction. Ce renfort est généralement constitué de fibres. Or, dans certains procédé, on lie ces fibres au moyen d'un liant approprié : on met ce dernier en place, on fait le vide dans l'espace mentionné plus haut et l'on chauffe jusqu'à ce que les fibres soient liées. L'installation décrite permet de faire tout cela et les moyens de mesure mentionnés plus haut permettent de voir comment se comporte le matériau avant l'introduction de la résine. Les mesures d'altitude en fonction du temps permettent de connaître l'épaisseur de la pièce 2 en divers points de celle-ci pendant les différentes étapes de sa fabrication. Dans l'exemple de la méthode conforme à l'invention, on mesure aussi la pression régnant dans l'espace mentionné ci-dessus, en fonction du temps. Pour ce faire, on utilise au moins un capteur de vide 44 qui communique avec cet espace par un conduit 46 ; ce dernier débouche à la surface de l'outil, comme on le voit sur la figure. On peut aussi mesurer la propagation de la résine dans cet espace. Pour ce faire, l'enceinte 10 est pourvue d'une autre fenêtre 48, en dessous de l'outil 8 qui supporte le renfort 6, comme on le voit sur la figure, et l'on effectue des mesures optiques à travers cette fenêtre, par exemple à l'aide d'une caméra 50. Dans ce cas, on utilise un outil 8 transparent pour supporter le renfort 6 et un conduit 14 transparent pour amener la résine dans l'espace mentionné plus haut. Dans l'exemple de la méthode conforme à l'invention, on mesure aussi la température en un ou plusieurs points du matériau composite que l'on forme. Pour ce faire, on prévoit un ou plusieurs capteurs de température, tels que le capteur 52, dans le renfort 6. Ces capteurs sont reliés à un système 54 de traitement des signaux qu'ils fournissent pour déterminer chaque température mesurée, comme on le voit sur la figure. Conformément à l'invention, on peut également mesurer - la température en au moins un point C de la face externe de la membrane souple, face opposée à celle qui est en contact avec le renfort 6, - et/ou la température en au moins un point D de la surface 16 de l'outil, et/ou la température régnant dans l'enceinte 10, - et/ou la température de la résine dans le conduit 14. Pour ce faire, on prévoit des capteurs de température (non représentés) au point C et/ou au point D et/ou dans l'enceinte et/ou dans le conduit 14 et on les relie à un système de traitement des signaux qu'ils fournissent pour déterminer chaque température. Le système 54 mentionné plus haut peut être prévu à cet effet. Toutes les mesures effectuées, mentionnées plus haut, permettent notamment de connaître et de modifier les paramètres du procédé de fabrication de matériau composite considéré, et ce en temps réel ou a posteriori. Elles permettent en outre de comprendre les phénomènes physiques qui ont lieu pendant la fabrication et aussi de connaître les propriétés du matériau composite, c'est-à-dire de caractériser ce matériau composite, et d'en modifier les propriétés, en vue d'optimiser le procédé de fabrication ainsi que le matériau composite. Il convient de noter qu'au lieu de mettre en place le vide à travers l'outil 8, on peut le faire à travers la membrane 24. De plus, la matrice n'est pas nécessairement organique : elle peut être par exemple métallique. Le procédé de fabrication est alors adapté au type de matrice utilisé. En particulier, on adapte la membrane. En outre, le fait de faire le vide n'est pas essentiel dans la présente invention ; dans d'autres exemples, on ne fait pas le vide : il y a de l'air entre la membrane souple et l'outil. Alors, cette membrane souple n'a pas besoin d'être étanche. C'est par exemple le cas lorsque le fluide utilisé pour former la matrice est un métal chaud, ce 30 qui conduit à une matrice métallique, ou même lorsque le fluide est une résine époxy (liquide), ce qui conduit à une matrice organique. Dans ce cas, pour fabriquer le matériau composite, le fluide destiné à former la matrice est injecté entre la membrane souple et l'outil, par exemple au moyen d'un piston ou d'un vérin. De plus, la présente invention s'applique également au cas où une même pièce comporte plus d'un matériau composite. Cette pièce est alors fabriquée à partir de plus d'un renfort et/ou plus d'une matrice. On mesure encore l'altitude d'au moins un point, de préférence d'une zone, de la membrane souple (par rapport à l'outil), ce qui permet encore de connaître l'épaisseur de ce que recouvre la membrane en ce point ou dans cette zone. En outre, l'invention ne s'applique pas uniquement aux procédés utilisant une seule membrane souple : elle s'applique aussi aux procédés qui en utilisent plus d'une. Alors, l'une des membranes souples est la plus proche de l'outil et une autre est la plus éloignée de cet outil. Le fluide destiné à former la matrice est alors envoyé entre l'outil et la membrane la plus proche de lui. Dans ce cas, on mesure l'altitude d'au moins un point, de préférence d'une zone, de la membrane souple la plus éloignée de l'outil. On peut aussi mesurer la pression dans l'espace compris entre l'outil et la membrane la plus proche de ce dernier et/ou la température en au moins un point de la membrane qui en est la plus éloignée. En outre, on peut encore étudier la propagation de fluide dans l'espace mentionné ci-dessus.5 REVENDICATIONS 1. Méthode pour analyser un procédé de fabrication de pièces (2) en au moins un matériau composite, par infusion ou injection, et pour caractériser le matériau composite, ce matériau composite comprenant au moins une matrice (4) et un renfort (6) noyé dans la matrice, procédé dans lequel : - on place le renfort sur la surface (16) d'un outil (8), - on recouvre le renfort par une membrane souple (24) ou une pluralité de membranes souples, - on scelle cette membrane souple ou cette pluralité de membranes souples contre la surface de l'outil, et - on introduit un fluide destiné à former la matrice dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, cette méthode étant caractérisée par le fait que l'on mesure l'altitude d'au moins un point de la membrane souple (24) ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on mesure cette altitude dans au moins une zone (28) de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil (8), en fonction du temps.30 3. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle l'altitude est mesurée au moyen d'un capteur optique (30). 4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle on éclaire la zone au moyen d'une source de lumière structurée (32) et le capteur optique comprend une caméra (30) qui observe la zone ainsi éclairée. 5. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle on mesure en outre l'altitude en au moins un point (A, B) de la membrane souple (24) ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en 15 fonction du temps, au moyen d'au moins un capteur tactile (38, 40). 6. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle on mesure 20 l'altitude pendant l'indroduction du fluide. 7. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle on mesure l'altitude avant l'introduction du fluide. 25 8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle on mesure en outre la pression régnant dans l'espace délimité par l'outil (8) et la membrane souple (24) ou celle de pluralité de 30 membranes souples qui est la plus proche de l'outil, en fonction du temps. 10 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle on mesure en outre la propagation du fluide dans l'espace délimité par l'outil (8) et la membrane souple (24) ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle on mesure en outre la température en au moins un point du matériau composite. 11. Méthode selon la revendication 10, dans laquelle on mesure en outre la température en au moins un point (C) de la face externe de la membrane souple (24) ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps. 12. Méthode selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans laquelle on mesure en outre la température en au moins un point (D) de l'outil (8). 13. Méthode selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans laquelle l'outil muni de la membrane souple ou de la pluralité de membranes souples est placé dans une enceinte (10) et l'on mesure en outre la température régnant dans cette enceinte. 14. Méthode selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans laquelle on prévoit au moins un conduit (14) d'arrivée du fluide dans l'espace délimité par l'outil (8) et la membrane souple (24) ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, et l'on mesure en outre la température du fluide dans ce conduit. 15. Dispositif pour analyser un procédé de fabrication de pièces (2) en au moins un matériau composite, par infusion ou injection, et pour caractériser le matériau composite, ce matériau composite comprenant au moins une matrice (4) et un renfort (6) noyé dans la matrice, procédé dans lequel : - on place le renfort sur la surface (16) d'un outil (8), - on recouvre le renfort par une membrane souple (24) ou une pluralité de membranes souples, - on scelle cette membrane souple ou cette pluralité de membranes souples contre la surface de l'outil, et - on introduit un fluide destiné à former la matrice dans l'espace délimité par l'outil et la membrane souple ou celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus proche de l'outil, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe (30, 38, 40) de mesure de l'altitude d'au moins un point de la membrane souple ou de celle de la pluralité de membranes souples qui est la plus éloignée de l'outil, en fonction du temps.