Brevet FR2919820A1 — publié le 20090213

CANAL DRAINANT POUR COMPOSITE L'invention concerne un nouveau procédé d'imprégnation de structures fibreuses par une résine pour la réalisation de matériaux composite. L'invention fait intervenir un canal drainant logé au sein de la structure fibreuse et restant dans le composite final. Tous les procédés de réalisation de matériaux composites impliquent l'imprégnation de fibres par une résine. Certains de ces procédés, tel que celui de mise en oeuvre de pré imprégnés en feuille (dit SMC de l'anglais Sheet Molding Compound) ne nécessitent pas une longue migration de la résine au sein de la structure fibreuse. D'autres au contraire nécessitent une migration importante de la résine, cette migration étant alors plus ou moins difficile selon la perméabilité et la taille de la structure fibreuse. On peut notamment mentionner deux de ces procédés: le procédé d'injection (dit RTM de l'anglais Resin Transfer Moulding ) et le procédé d'infusion. Ces procédés, dans leurs principes, sont bien connus de l'homme du métier. Selon le procédé RTM, une structure fibreuse est placée entre un moule rigide et un contre- moule rigide (généralement tous deux en métal ou en composite) et, après application éventuelle du vide entre les deux parties du moule, de la résine est injectée pour migrer et remplir tout l'espace entre moule et contre-moule (espace dit entrefer ). Sous l'effet du vide, certains moules et/ou contre-moules déformables (notamment ceux en composite) peuvent alors écraser la structure fibreuse, ce qui peut considérablement gêner la migration de la résine au sein de ladite structure. Selon le procédé d'infusion, la structure est placée entre un moule rigide et un film plastique (ou bâche), ce dernier servant de contre-moule, comprime la structure fibreuse sous l'effet du vide préalable à l'imprégnation. Ici, la capacité de la structure fibreuse à résister à l'écrasement sous l'effet du vide peut énormément influencer les vitesses de fluage de la résine. Dans le cas de grandes pièces, l'opérateur place des drains (ou gaines) au dessus du mat pour aider à la migration de la résine. Ces gaines sont retirées en même temps que la bâche à la fin de la polymérisation de la résine. On a maintenant trouvé un nouveau procédé d'imprégnation facilitant et accélérant l'imprégnation des structures fibreuses par une résine. Selon l'invention, un canal est placé au sein de la structure fibreuse, parallèlement à elle, et draine la résine. Le canal a un axe longitudinal. Le canal est placé au sein de la structure fibreuse de sorte que son axe longitudinal est sensiblement dans le plan de la structure fibreuse. Des fibres de la structure fibreuse se trouvent de part et d'autre de cet axe longitudinal du canal. Le canal constitue un chemin préféré pour la résine à l'intérieur duquel celle-ci chemine rapidement, plus rapidement qu'au travers directement de la structure fibreuse. Le canal est muni d'au moins une ouverture (ou orifice) dans sa paroi longitudinale (parallèle à l'axe longitudinale du canal) permettant à la résine de s'écouler au moins partiellement transversalement (par rapport au canal) après avoir parcouru une certaine distance, longitudinalement, dans le canal lui-même. Ainsi l'invention concerne en premier lieu une structure fibreuse comprenant en son sein un canal muni d'au moins un orifice dans sa paroi longitudinale. Le canal peut par exemple être muni d'une pluralité d'ouvertures disposées régulièrement sur sa longueur. Ces ouvertures peuvent être de véritables orifices réalisés avec enlèvement de matière dans un canal au départ dépourvu d'orifice. L'orifice peut notamment être une découpe. On a en effet trouvé qu'une découpe du canal, sans enlèvement de matière, pouvait également convenir, compte tenu du fait que la découpe est souvent naturellement un peu écartée au moins à certains endroits, ou du fait que la pression de la résine à l'intérieur du canal suffisait pour écarter les bords de ladite découpe pour laisser passer la résine vers l'extérieur du canal. Notamment, d'excellents résultats ont été observés avec une découpe en spirale faisant le tour du canal avec un pas régulier. Dans ce cas, une seule découpe suffit et parcourt toute la longueur du canal en décrivant une spirale autour et le long de l'axe du canal. Généralement, le canal est du type tubulaire (section annulaire). De tels canaux à découpe en spirale sont commercialisés (par exemple par la Compagnie Générale d'Electricité) pour une utilisation totalement différente de celle prévue par la présente invention, puisqu'il s'agit de regrouper des câbles électriques. Ces canaux commercialisés sont généralement en polyoléfine (comme en polyéthylène, polypropylène), en copolymère vinyl-acétate, en polyester (Nylon) ou en un polymère fluoré comme le PTFE (Téflon). Le canal peut aussi être réalisé dans la même matière que celle devant faire office de matrice pour le 3 composite final. Le canal peut aussi être constitué d'un ruban de matériau à haut module (par exemple fibre de verre) enroulé en forme de spiral (ce qui lui donne de la flexibilité) et pourvu d'un revêtement (qui peut être un ensimage ou un liant) compatible avec la matrice du composite final. Dans ce cas, le canal peut mieux contribuer au renfort du composite. Le canal est choisi de sorte que sa section d'écoulement (section interne perpendiculaire à l'axe du canal au travers de laquelle la résine s'écoule) soit suffisamment grande pour que la résine s'écoule plus rapidement dans le canal (en direction longitudinal) qu'au travers de la structure fibreuse dans les conditions d'imprégnation (c'est-à-dire éventuellement comprimée). Le diamètre externe du canal peut par exemple aller de 2 mm à 95% de l'épaisseur du composite final. La paroi du canal est suffisamment fine pour que la section d'écoulement soit la plus grande possible et permette un écoulement rapide de la résine. La paroi du canal est suffisamment forte pour que le canal résiste à l'écrasement pendant son utilisation. Ainsi, le diamètre interne du canal est généralement supérieur à 1 mm. Le canal est généralement en une matière du type polymère, suffisamment souple pour être enroulable, de préférence avec un diamètre d'enroulement aussi petit que 100 fois le diamètre externe du canal, voir même aussi petit que 50 fois le diamètre externe du canal. Ainsi, la structure fibreuse munie du canal drainant selon l'invention conserve une excellente souplesse dans toutes les directions, malgré la présence du canal qui pourtant résiste à l'écrasement. Le canal peut être disposé au sein de la structure fibreuse après constitution de la structure fibreuse elle-même, ou au cours de sa constitution. Notamment, si la structure fibreuse est du type mat présentant une tenue suffisante pour être manipulée, on peut généralement glisser le canal, notamment à la main, au sein de sa structure, parallèlement à son plan et sur la longueur souhaitée, après réalisation du mat. Ce mat peut par exemple être un mat en fils coupés ou fils continus liés par aiguilletage (et sans liant chimique) comme décrit dans WO2005/054559. Ce mat peut aussi être un mat en non-tissé de fibres en polypropylène comme en fibres frisées de polypropylène, notamment comme commercialisé sous la marque Rovicore par Chomarat. Le mat peut aussi être lié par un liant chimique, dès lors que cela ne gêne pas l'insertion et la progression 4 du canal au sein de la structure fibreuse. Ainsi, l'invention concerne notamment un procédé de fabrication d'une structure fibreuse comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein, comprenant la réalisation d'une structure fibreuse suivi de l'insertion du canal par poussée dans ladite structure. Pour réaliser la structure fibreuse comprenant le canal, on peut aussi tout simplement disposer le canal entre deux couches de structures fibreuses identiques ou différentes. Cette opération peut notamment être réalisée directement dans le moule de la façon suivante : on place tout d'abord une première couche de structure fibreuse dans le moule, puis l'on dispose au moins une longueur de canal, voire deux voire trois (selon la dimension de la pièce) sur la première couche de structure fibreuse, puis l'on dispose la seconde couche de structure fibreuse, les canaux étant ainsi pris en sandwich. On place alors le contre-moule et l'on peut procéder à l'injection après avoir réalisé le vide, selon les méthodes traditionnelles d'imprégnation. On peut aussi incorporer le canal dans la structure fibreuse au moment de la réalisation de ladite structure fibreuse. Par exemple, si la structure fibreuse est un tissu, on peut remplacer au moins un fil de ce tissu (du type chaîne ou trame) par le canal. La structure fibreuse selon l'invention peut comprendre du fil coupé ou du fil continu. Si la structure fibreuse est un mat à fils coupés, on peut procéder comme suit. On sait que ces mats sont généralement réalisés par projection de fils coupés sur un tapis défilant, ladite projection ayant lieu dans une chambre de déposition de fils coupés. Les fils coupés sont soufflés dans la chambre et volent de façon aléatoire dans cette chambre pour retomber à plat de façon tout aussi aléatoire en ce qui concerne leur position et orientation dans le plan du mat sur le tapis défilant. On peut par exemple simplement dérouler une bobine du canal dans la chambre au travers d'un orifice ménagé dans le plafond de cette chambre. Le canal tombe alors sur le tapis défilant après qu'une première épaisseur de fils coupés a recouvert ledit tapis, une seconde épaisseur de fils coupés retombant ensuite par-dessus ledit canal. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure fibreuse à fils coupés comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein, ledit procédé comprenant le dépôt du canal dans une chambre de déposition de fils coupés. Selon ce procédé, du fil coupé est déposé de part et d'autre du canal pour former une nappe, ladite nappe étant ensuite généralement amenée à une unité de liage. La nappe de fils coupés recouvrant le tapis défilant et contenant le canal est sortie de la chambre de déposition pour être amenée dans l'unité de liage, laquelle 5 appliquant à la nappe une liaison du type chimique (tiers corps appliqué sur la nappe pour faire office de liant généralement après un traitement thermique) et/ou une liaison du type mécanique (par aiguilletage ou couture). Notamment, on a constaté qu'un aiguilletage ou une couture est compatible avec la présence des canaux, car le percement du canal par les aiguilles de l'aiguilletage n'engendre aucun inconvénient. L'invention concerne également le procédé selon lequel le liage du type couture ou aiguilletage produit des trous dans le canal. Ces trous favorisent l'imprégnation de la structure fibreuse par la résine. La structure fibreuse peut aussi être du type à fils continus. Dans ce cas, du fil continu est projeté sur un tapis défilant par déroulement de bobines grâce à un bras exerçant un mouvement de balancier en travers du tapis défilant. Pour plus de précisions sur cette technique de projection, on peut notamment se reporter au WO2005054559. Il suffit alors de placer une bobine du canal parmi les bobines de fil continu pour que le canal se dépose sur le tapis défilant après qu'une première épaisseur de fil continu a été déposée, une seconde épaisseur de fil continu venant se déposer ensuite sur le canal. Généralement, le canal n'est pas animé d'un mouvement transversal de balancier car il est généralement déposé à distance fixe du bord de la nappe. Le fil continu peut provenir d'une bobine ou être constitué directement sous filières. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une structure fibreuse à fils continus comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein, ledit procédé comprenant les déroulements successifs suivant sur une surface plane: - au moins un premier fil continu répartit en travers de la surface plane, puis - au moins un canal d'imprégnation, puis - au moins un autre fil continu répartit en travers de la surface plane et venant recouvrir au-moins partiellement ledit canal d'imprégnation et ledit au moins un premier fil continu. 6 Selon la largeur de la structure fibreuse, on peut placer un ou plusieurs canaux (parallèles entre eux ou non) en travers d'une largeur de structure fibreuse. La structure fibreuse munie du canal peut être intégrée dans un complexe comprenant plusieurs couches juxtaposées. Notamment, la structure contenant le canal, dans sa variante utilisant des fils continus, peut constituer la couche à fils continus répartis de façon aléatoire de la structure fibreuse faisant l'objet du WO03/060218. La structure fibreuse comprenant le canal peut être incorporée dans un complexe multicouche à la structure suivante: structure fibreuse comprenant le canal + couche de fils coupés d'un seul côté de ladite structure fibreuse ou, structure fibreuse comprenant le canal + couche de fils coupés des deux côtés de ladite structure fibreuse (complexe à 2 ou 3 couches). Ainsi, il est possible de déposer sur un tapis défilant une première couche de fibres (par exemple : fils coupés par exemple à une longueur entre 12 et 100 mm) puis de déposer sur cette couche la structure fibreuse comprenant le canal puis de procéder à un aiguilletage et ainsi lier ensemble par l'aiguilletage les deux couches entre elles. On peut également ajouter une autre couche (par exemple : fils coupés par exemple à une longueur entre 12 et 100 mm) avant l'aiguilletage. Il est aussi possible de placer le canal entre deux couches de structure fibreuse, chacune étant du type tissu ou mat. L'aiguilletage peut être celui habituellement utilisé par l'homme du métier. Cependant, si l'on souhaite réduire la formation de trous d'aiguille visibles à l'oeil nu, on peut réaliser un aiguilletage par des aiguilles se déplaçant en même temps que la structure à lier, avec sensiblement la même vitesse que la structure à lier dans une direction parallèle à la direction de déplacement la structure à lier. De plus, le nombre d'impacts d'aiguille peut être réduit et être par exemple d'au plus 25 coups par cm2, et notamment d'au plus 15 coups par cm2. Généralement, le nombre d'impact d'aiguille est d'au moins 1 coup par cm2 et de préférence d'au moins 2 coups par cm2. Le canal a une flexibilité suffisante pour permettre à la structure fibreuse munie du canal d'être enroulée sur elle-même en forme de rouleau comme on le fait habituellement pour les mats. On peut procéder à la réalisation du matériau composite de façon connue de l'homme du métier, pourvu que l'on ait prévu l'outil adéquat à la découpe du canal. En effet, pour la réalisation du matériau composite, la structure fibreuse est découpée aux dimensions souhaitées compte 7 tenu de la dimension prévue de la pièce finale, la structure étant ensuite placé dans le moule d'imprégnation pour application des procédés RTM ou d'infusion. Dès lors que le canal est en polymère, sa découpe au moment de la découpe de la structure fibreuse, ne pose pas de difficulté particulière. D'une façon générale, une extrémité du canal est placée à proximité du point d'injection de façon à ce qu'il puisse se remplir le plus rapidement possible de résine et acheminer celle-ci rapidement plus loin dans la structure fibreuse. Selon l'invention, le canal est incorporé dans le matériau composite final. Comme le canal a été disposé au sein d'une structure fibreuse, des fibres (ou fils) se trouvent à la fois au-dessus et au dessous du canal et celui-ci n'est pas visible au niveau du composite final. Le matériau composite final comprend une matrice et la structure fibreuse selon l'invention. La matrice est obtenue par durcissement d'une résine après imprégnation de la structure fibreuse par la résine. La résine d'imprégnation pour la réalisation du matériau composite peut être du type thermoplastique mais est généralement du type thermo-durcissable (polyester, vinylester ou epoxy). Ainsi, l'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un matériau composite comprenant l'imprégnation d'une structure fibreuse par une résine, la résine étant acheminée au moins partiellement au travers d'un canal placé au sein de ladite structure, ledit canal étant muni d'au moins un orifice dans sa paroi longitudinale. Le procédé d'imprégnation peut être du type injection ou infusion. La structure fibreuse peut comprendre des fibres ou fils (ensemble de fibres contigües) de toute nature et notamment des fibres de polypropylène, des fibres ou fils de verre. La figure 1 représente un canal 1 du type tubulaire, flexible, pouvant être incorporé dans une structure fibreuse. Ce canal est muni d'ouvertures 2 dans sa paroi longitudinale 17. La résine s'écoule préférentiellement à l'intérieur du canal selon une direction axiale AA' (ou longitudinale) et s'écoule également transversalement au travers des orifices 2. La figure 2 représente un canal 1 du type tubulaire, flexible, pouvant être incorporé dans une structure fibreuse. Ici, l'ouverture permettant à la résine de s'échapper transversalement vient de la découpe en spirale 3 continue dans la paroi longitudinale 17 qui fait le tour tout le long dudit canal et selon un pas régulier. La découpe dessine une spirale autour de l'axe longitudinal AA' du canal. 8 La figure 3 représente un dispositif de réalisation d'une structure fibreuse contenant un canal d'imprégnation. Ce dispositif comprend une chambre 4 dans laquelle des fils coupés 5 sont soufflés dans tout le volume de la chambre pour tomber en une nappe sur un tapis 6 défilant au travers de la chambre. Une bobine 7 du canal 8 est déroulée au travers du plafond de la chambre afin que le canal se dépose sur le tapis 6 défilant. Du fait que le canal tombe sur le tapis à peu près au milieu de la chambre, le tapis est recouvert d'une première couche 9 de fils coupés avant que le canal ne touche le tapis, et une seconde couche 10 de fils coupés retombe ensuite sur la nappe de fils coupés de sorte sur le canal sort de la chambre entouré de fils coupés, et c'est en ce sens qu'il est au sein de la structure fibreuse sortant de la chambre. Celle-ci peut-être ensuite amenée à un dispositif de liage non représenté sur la figure 3 La figure 4 représente très schématiquement une installation de fabrication d'un mat à fils continus dans laquelle est inséré un canal d'imprégnation au sens de l'invention. Sur un tapis défilant 11 est projeté un premier fil continu 12 grâce à un bras oscillant 13 exerçant un mouvement de balancier 14 comme indiqué par la flèche 14 de façon à répartir le fil continu en travers du tapis défilant 11. Le canal 15 est ensuite déroulé à partir d'une bobine au milieu de la largeur du tapis défilant, dans le plan du mat final et dans la direction longitudinale. Ce canal est déposé au milieu du tapis défilant et aucun mouvement de balancier ne vient modifier sa position sur le tapis. Une seconde projection de fil continu 16 est exercée ensuite sur le tapis défilant exactement comme le premier fil continu 12. Ce deuxième fil continu recouvre le premier fil continu et le canal d'imprégnation. La figure 4 représente un principe de fabrication sans détails inutiles. En pratique, on peut avoir plusieurs bobines de fils continu placées avant le canal et plusieurs bobines de fil continu placées après le canal et plusieurs bobines de gaines placées en différents points sur la largeur du tapis défilant. La figure 5 représente la réalisation d'un composite en cours d'imprégnation. La technique utilisée est l'infusion. Un mat de fils continus aiguilleté (fils en verre) est vu du dessus au travers du contre-moule qui est un film plastique transparent. On peut voir la progression de la résine au travers du film transparent. Au sein du mat, au milieu de son épaisseur, ont été glissés trois canaux d'imprégnation 21 du type de celui de la figure 2. Ces canaux sont parallèles entre eux et parallèles aux bords longitudinaux du mat. Ils sont 9 invisibles car recouverts de fils et leur emplacement est signalé par des lignes pointillées. La résine est injectée par le bord transversal 22. La zone hachurée correspond à la partie de mat déjà imprégnée. On voit que le front d'avancement 23 de la résine comporte des pics correspondant aux emplacements des canaux. Ceci montre bien que la progression de la résine est grandement facilitée par la présence des canaux. REVENDICATIONS 1. Structure fibreuse comprenant en son sein un canal muni d'au moins un orifice dans sa paroi longitudinale. 2. Structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'orifice est une découpe. 3. Structure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la découpe dessine une spirale autour de l'axe longitudinal dudit canal. 4. Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse comprend du fil coupé. 5. Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse comprend du fil continu. 6. Matériau composite comprenant une matrice et une structure fibreuse de l'une des revendications précédentes. 7. Matériau selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matrice est en résine thermodurcissable. 8. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein comprenant la réalisation d'une structure fibreuse suivi de l'insertion du canal par poussée dans ladite structure. 9. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse à fils coupés comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein comprenant le dépôt du canal dans une chambre de déposition de fils coupés. 10. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que du fil coupé est déposé de part et d'autre du canal pour former une nappe, et en ce que ladite nappe est ensuite amenée à une unité de liage. 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le liage est un aiguilletage ou une couture. 12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le liage produit des trous dans le canal. 13. Procédé de fabrication d'une structure fibreuse à fils continus comprenant au moins un canal d'imprégnation en son sein comprenant les déroulements successifs suivant sur une surface plane: - au moins un premier fil continu répartit en travers de la surface plane, puis 11 - au moins un canal d'imprégnation, puis - au moins un autre fil continu répartit en travers de la surface plane et venant recouvrir au-moins partiellement ledit canal d'imprégnation et ledit au moins un premier fil continu. 14. Procédé de fabrication d'un matériau composite comprenant l'imprégnation d'une structure fibreuse par une résine, caractérisé en ce que la résine est acheminé au moins partiellement au travers d'un canal placé au sein de ladite structure, ledit canal étant muni d'au moins un orifice dans sa paroi longitudinale. 15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est du type injection. 16. procédé selon la revendication 14 , caractérisé en ce qu'il est du type infusion.