Brevet FR2926242A1 — publié le 20090717

Procédé et dispositif de moulage d'une pièce en composite thermoplastique à hautes performances La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces composites thermoplastiques à hautes performances. Il est connu que les composites à hautes performances (HP) ont des propriétés, notamment mécaniques et chimique, excellentes pour une masse minimale. Ils présentent de plus une forte rigidité et peuvent présenter une excellente tenue à des températures élevées. Ces composites thermoplastiques à hautes performances sont constitués de renforts fibreux à fibres longues noyées dans une matrice thermoplastique à hautes performances telle qu'une matrice semi-cristalline de type polyétheréthercétone (PEEK), polyéther cétone cétone (PEKK), polysulfure de phénylène (PPS) ou amorphe de type poly(ether imide) (PEI). Ces matrices thermoplastiques présentent de nombreux avantages notamment parce qu'elles montrent un très bon comportement à l'impact par rapport à des matrices thermodurcissables, elles sont résistantes au fluide et skydrol. Elles sont de plus très peu sensibles à la reprise d'humidité. Toutefois, les seules applications envisagées dans l'industrie aéronautique pour ces composites thermoplastiques HP restent des pièces structurales ou non ayant de relativement faibles courbures. Cela est lié aux limites des technologies thermoplastiques utilisées couramment dans le domaine des composites hautes performances, qui ne permettent pas la réalisation de pièces ayant des géométries complexes notamment des pièces présentant des doubles courbures fortement marquées. Or, il serait fortement intéressant de pouvoir fabriquer des pièces comprenant des éléments de sous structure thermoplastiques à hautes performances associés à une structure en composite thermoplastique à hautes performances du fait, d'une part des propriétés intrinsèques de ces matériaux qui sont généralement supérieures à un matériau thermodurcissable, d'autre part des nombreux intérêts technico-économiques apportés par la soudabilité des éléments de sous-structure sur une structure. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif pour le moulage d'une pièce en matériau thermoplastique à hautes performances simple dans leur conception et dans leur mode opératoire, rapide et économique, permettant la fabrication de pièces de sous structure ayant des formes relativement complexes. A cet effet, l'invention concerne un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite par l'injection d'une résine thermoplastique à hautes performances dans une préforme fibreuse placée dans un moule comprenant au moins un port d'entrée et au moins un port de sortie de la résine. Selon l'invention, on réalise les étapes suivantes : - on injecte la résine à l'état fondu dans le moule à une pression inférieure à environ 40 bars et on contrôle la température d'entrée de cette résine au port d'entrée, la température du moule et la température de sortie de la résine au port de sortie de manière à maintenir cette résine à l'état fondu, -après sortie de la résine par le port de sortie, on ferme ce port de sortie et on remplit le moule avec la résine, - après remplissage du moule, on stoppe l'injection de cette résine et on consolide la résine thermoplastique à hautes performances. Le moule peut être entrouvert ou non lors de l'injection de la résine à l'état fondu. La consolidation de la pièce composite thermoplastique est obtenue par refroidissement contrôlé du moule. Pour des applications structurales, la préforme fibreuse comporte 30 avantageusement un taux de fibres entre 50% et 60%, ce dernier étant préférable, en volume. Les résines à hautes performances qui sont bien connues de l'homme du métier pourront être choisies, à titre purement illustratif, dans le groupe comprenant le polyétheréthercétone (PEEK), le polysulfure de phénylène 35 (PPS), le polyphénylsulfone (PSU), le polyéthersulfone (PES), le polyétherimide (PEI), le poliamide imide (PAI), le polyimide (PI), le polyphénylène oxyde (PPO) et le polybenzimidazole (PBI). L'injection de cette résine se fait à un faible débit d'injection pour éviter d'engendrer des pressions importantes, ce qui induit des temps d'injection longs de l'ordre de quelques minutes comparés à des procédés d'injection de résine thermoplastique plus classiques. Les pressions d'injection sont typiquement inférieures à 40 bars. Dans différents modes de réalisation de ce procédé de moulage, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - les températures d'entrée, du moule et de sortie sont identiques à 2% près et encore mieux à 10/0 près, Bien entendu, ces températures sont alors supérieures à la température de fusion de la résine thermoplastique à hautes performances de sorte à maintenir cette résine à l'état fondu. - préalablement à l'injection de ladite résine dans le moule, on applique une force de serrage à ce moule par l'intermédiaire d'une presse, on chauffe et on refroidit les plateaux de cette presse pour contrôler la température du moule, - l'injection étant réalisée à l'aide d'un vérin d'injection ou d'une vis d'extrusion-injection, on contrôle la température des éléments du vérin ou de cette vis, destinés à être en contact avec la résine thermoplastique à hautes performances pour maintenir celle-ci à l'état fondu, - on place le volume intérieur du moule sous vide. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de moulage tel que décrit précédemment, ce dispositif comprenant un circuit d'alimentation en résine d'un moule apte à recevoir une préforme fibreuse, ce circuit d'alimentation comprenant au moins un réservoir d'alimentation en résine et au moins un élément d'injection sous pression de la résine dans le moule. Selon l'invention, ce dispositif comporte : - des premiers moyens pour chauffer ledit au moins un circuit d'alimentation à une température au moins égale à la température de fusion de la résine de manière à maintenir celle-ci dans un état fondu sur l'ensemble du circuit d'alimentation, - des seconds moyens de chauffage pour chauffer le moule à une température au moins égale à la température de fusion de cette résine, - le moule comprenant au moins un port de sortie relié à un circuit d'évacuation de la résine, le dispositif comporte des troisièmes moyens pour chauffer ce circuit d'évacuation à une température au moins égale à la température de fusion de la résine, et - des moyens de contrôle des températures de ces circuits d'alimentation et d'évacuation et de ce moule. Dans différents modes de réalisation de ce dispositif de moulage d'une pièce en matériau composite, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : -les moyens de contrôle sont aptes à maintenir une température identique à 2% près, et encore mieux à 1% près, sur l'ensemble formé par les circuits d'alimentation et d'évacuation et le moule, - le dispositif comprend également des moyens d'application d'une force de serrage sur le moule, Dans un mode de mise en oeuvre, ces moyens d'application d'une force de serrage comprenant une presse à plateaux, les seconds moyens de chauffage sont destinés à chauffer chacun de ces plateaux. De préférence, le dispositif comporte alors des éléments de protection thermique de chaque plateau. Le retrait de ces éléments de protection après injection de la résine thermoplastique à hautes performances dans le moule permet de refroidir de façon optimale ce dernier pour abaisser sa température en dessous de la température de cristallisation de la résine thermoplastique HP, ce qui permet de polymériser celle-ci. - le dispositif comprend des moyens pour créer le vide dans le moule, Ces moyens peuvent être reliés au circuit d'évacuation de la résine qui est en communication de fluide avec le moule via le port de sortie. Une vanne permet d'ouvrir et fermer ce port de sortie qui est par exemple un évent. - le moule comprend une première partie de moule et une deuxième partie de moule destinées à coopérer pour assurer l'étanchéité du moule dans une position de moulage et des moyens pour maintenir en position au moins les plis de la préforme fibreuse. A titre illustratif, ces moyens pour maintenir en position au moins les plis de la préforme comprennent des saillies placées sur la première partie de moule, chacune de ces saillies comportant une extrémité pointue et un ou plusieurs creux placés sur la deuxième partie et destinés à recevoir ces extrémités pointues lorsque les première et deuxième parties sont dans leur position de moulage. Avantageusement, le moule comportant une empreinte, ces saillies sont placées sur au moins une partie du pourtour de cette empreinte de manière à maintenir la périphérie de la préforme. On évite ainsi d'endommager la partie centrale de la préforme fibreuse. L'invention sera décrite plus en détail en référence à l'unique figure annexée représentant un dispositif de moulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention; La Figure unique montre un dispositif de moulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Ce dispositif de moulage comporte un moule comprenant une première partie de moule 1 et une deuxième partie de moule 2. Ces parties de moule 1, 2 sont destinées à coopérer pour assurer l'étanchéité de ce moule lors du gavage de celui-ci avec une résine thermoplastique à hautes performances. Le moule peut comporter une empreinte intérieure dont la forme et les dimensions correspondent à celle de la pièce finale à réaliser. Cette empreinte est destinée à recevoir une préforme fibreuse. Ce moule comporte un port d'entrée 3 de la résine et un port de sortie 4, les ports d'entrée 3 et de sortie 4 étant reliés respectivement à un circuit d'alimentation en résine 5 et à un circuit d'évacuation de ladite résine 6. Le circuit d'évacuation de la résine 6 est relié à une unité de pompage 7 permettant de générer le vide au sein du moule 1, 2. Le circuit d'alimentation en résine 5 comporte un réservoir d'alimentation 8 en résine relié par un conduit à un élément d'injection 9 sous pression de la résine dans le moule 1, 2 du type vérin. Ce circuit d'alimentation 5 peut également être relié à l'unité de pompage 7 pour assurer le dégazage initial de la résine contenue dans le réservoir d'alimentation 8. Ce réservoir 8 étanche reçoit de préférence des granulés qui sont portés à l'état fondu par des résistances (non représentées) formant partie de premiers moyens de chauffage 10 du circuit d'alimentation 5. La commande de l'élément d'injection 9 est assurée par un moteur électrique (non représenté). Alternativement, cette commande peut être pneumatique ou encore hydraulique. En sortie de l'élément d'injection 9, la résine est injectée à basse pression dans le moule 1, 2 via le port d'entrée 3. Cette injection est réalisée généralement à très faible débit constant. Le dispositif de moulage comporte également des moyens d'application d'une force de serrage sur le moule 1, 2. Cette force de serrage est ici appliquée par l'intermédiaire d'une presse comportant deux plateaux 11, 12. Les circuits d'alimentation 5 et d'évacuation 6 en résine sont respectivement reliés à des premier et deuxième moyens de chauffage 10, 13 tandis que les plateaux 11, 12 sont reliés à des troisièmes moyens de chauffage 14 permettant tous de porter les éléments destinés à être en contact avec la résine à une température supérieure à la température de fusion de celle-ci de sorte à maintenir cette résine à l'état fondu. Ces moyens de chauffage 10, 13 et 14 peuvent être choisis dans le groupe comprenant des résistances électriques, des résistances électriques entourées d'un matériau réfractaire, des rubans chauffants, des circuits chauffants reliés à une alimentation en fluide caloporteur et des combinaisons de ces éléments. Ces moyens de chauffage sont reliés à des moyens de contrôle de la température comprenant de préférence des capteurs de température 15 reliés à un régulateur PID 16 pour l'asservissement en température. De manière plus générale, pour contrôler le procédé de fabrication par moulage, différentes mesures sont effectuées par des capteurs qui sont typiquement des capteurs de pression et capteurs de température placés au sein du moule, des capteurs de température et des capteurs de débit placés sur les tuyauteries d'alimentation et d'évacuation en résine thermoplastique. Le dispositif peut éventuellement comporter de plus un ou plusieurs circuits de refroidissement pour la régulation de la température. Ce circuit de refroidissement (non représenté) peut être parcouru par un fluide réfrigérant tel que de l'eau froide, mis en circulation par une pompe laquelle est commandée par le régulateur 16. Lorsque le dispositif comprend plusieurs réservoirs recevant chacun une résine différente, chaque réservoir est relié par un circuit d'alimentation propre équipé de son élément d'injection de la résine à un port d'entrée du moule. Les canalisations de ces circuits d'alimentation sont chacune avantageusement équipées d'une vanne telle qu'une électrovanne commandée à distance permettant de sélectionner la résine introduite dans le moule à un instant donné. L'invention concerne encore un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite par l'injection d'une résine thermoplastique à hautes performances dans une préforme fibreuse comportant de préférence un taux volumique de fibres longues supérieur à 50%, laquelle est placée dans le moule décrit plus haut préalablement à l'injection. On applique ensuite une force de serrage à ce moule et on injecte la résine à l'état fondu dans celui-ci à basses pressions. Alternativement, le moule pourrait être entrouvert lors de l'injection. On contrôle la température d'entrée de la résine au port d'entrée, la température du moule et la température de sortie de la résine au port de sortie de manière à maintenir cette résine à l'état fondu. L'injection est faite en mode isotherme, afin de maintenir la résine à l'état fondu sur toute la chaîne du procédé. Après la sortie de la résine par le port de sortie, on ferme celui-ci et on vient fermer le moule par la descente des plateaux de la presse pour finir de gaver (remplissage total) la préforme avec la résine fondue jusqu'à obtenir la pression maximale admissible. Ensuite, on ferme les inlets d'injection, ou port d'entrée, pour arrêter l'injection et on refroidit le moule via les plateaux de la presse par exemple en enlevant les éléments de protection thermique qui entouraient ceux-ci. Ces éléments de protection thermique sont par exemple des tissus de verre, de silice ou de céramique. On refroidit ainsi le moule à une température inférieure à la température de cristallisation de la résine thermoplastique à hautes performances. On supprime enfin l'application de la force de serrage et on démoule la pièce en matériau composite ainsi obtenue. La pièce peut être démoulée à chaud tant que la température du moule est plus froide que la température de cristallisation de la résine thermoplastique.5 REVENDICATIONS 1. Procédé de moulage d'une pièce en matériau composite par l'injection d'une résine thermoplastique à hautes performances dans une préforme fibreuse placée dans un moule (1, 2) comprenant au moins un port d'entrée (3) et au moins un port de sortie (4) de ladite résine, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes : - on injecte ladite résine à l'état fondu dans ledit moule (1, 2) à une pression inférieure à environ 40 bars et on contrôle la température d'entrée de ladite résine audit port d'entrée (3), la température dudit moule (1, 2) et la température de sortie de ladite résine audit port de sortie (4) de manière à maintenir ladite résine à l'état fondu, - après sortie de ladite résine par ledit port de sortie (4), on ferme ledit port de sortie (4) et on remplit ledit moule (1, 2) avec ladite résine, - après remplissage dudit moule (1, 2), on stoppe l'injection de ladite résine et on consolide ladite résine thermoplastique à hautes performances. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les températures d'entrée, du moule (1, 2) et de sortie sont identiques à 2% près et encore mieux à 1% près. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que préalablement à l'injection de ladite résine dans ledit moule, on applique une force de serrage audit moule (1, 2) par l'intermédiaire d'une presse et en ce qu'on chauffe et on refroidit les plateaux (11, 12) de ladite presse pour contrôler la température dudit moule (1, 2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection étant réalisée à l'aide d'un vérin d'injection (9) ou d'une vis d'extrusion-injection, on contrôle la température des éléments dudit vérin (9) ou de ladite vis d'extrusion-injection, destinés à être en contact avec ladite résine pour maintenir ladite résine à l'état fondu. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on place le volume intérieur dudit moule (1, 2) sous vide. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de moulage d'une pièce en matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ledit dispositif comprenant un circuit d'alimentation en résine d'un moule (1, 2) apte à recevoir une préforme fibreuse, ledit circuit d'alimentation (5)comprenant au moins un réservoir d'alimentation (8) en résine et au moins un élément d'injection sous pression de ladite résine dans ledit moule (1, 2), caractérisé en ce que ledit dispositif comporte : - des premiers moyens (10) pour chauffer ledit au moins un circuit d'alimentation (5) à une température au moins égale à la température de fusion de ladite résine de manière à maintenir ladite résine dans un état fondu sur l'ensemble dudit circuit d'alimentation, - des seconds moyens de chauffage (14) pour chauffer ledit moule (1, 2) à une température au moins égale à la température de fusion de ladite résine, - ledit moule (1, 2) comprenant au moins un port de sortie (4) relié à un circuit d'évacuation (6) de ladite résine, le dispositif comporte des troisièmes moyens (13) pour chauffer ledit circuit d'évacuation (6) à une température au moins égale à la température de fusion de ladite résine, et - des moyens de contrôle (15, 16) des températures desdits circuits d'alimentation (5) et d'évacuation (6) et dudit moule (1, 2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle (15, 16) sont aptes à maintenir une température identique à 2% près, et encore mieux à 1% près, sur l'ensemble formé par lesdits circuits d'alimentation (5) et d'évacuation (6) et ledit moule (1, 2). 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'application d'une force de serrage sur ledit moule (1, 2) comprenant une presse à plateaux (11, 12), lesdits seconds moyens de chauffage (14) étant destinés à chauffer chacun desdits plateaux (11, 12). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte également des éléments de protection thermique de chacun desdits plateaux (11, 12). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent des capteurs de température (15) reliés à un régulateur PID (16).