Brevet FR2928293A1 — publié le 20090911

La présente invention concerne un produit composite semi fini et un procédé pour fabriquer ce produit composite semi fini. Il existe actuellement essentiellement trois procédés principaux pour fabriquer des pièces composites et, notamment, pour fabriquer des pièces 5 composites possédant des parties gauches ou curvilignes. Par pièce composite ou par matériau composite, on entend une pièce ou un matériau composé d'un renfort généralement de fibres tissées ou non tissées et d'une matière (résine thermodurcissable ou thermoplastique) qui assure la cohésion de la structure et la transmission des efforts vers le renfort. 10 Chaque procédé possède des avantages propres et des inconvénients associés. Le procédé de mise en oeuvre de pré imprégnés consiste à positionner un ensemble de nappes composées de fibres unidirectionnelles ou de nappes tissées. 15 Dans le procédé pré imprégné, des nappes unidirectionnelles ou des tissus sont empilés et sont polymérisés sous pression. Ce procédé permet de réaliser des pièces qui présentent un taux volumique de fibres important ; ceci est très favorable en termes de caractéristiques mécaniques des pièces ainsi obtenues. 20 Dans le cas de pièces de forme simple, la pièce peut être indifféremment en nappes unidirectionnelles pré imprégnées ou en tissus pré imprégnés. Dans le cas de pièces de forme complexe, on a généralement recours à un tissu pré imprégné généralement un sergé 2/2 qui peut se 25 déformer dans certaines limites. Pour optimiser les performances mécaniques et pour diminuer les coûts et le poids des pièces, un drapage de nappes unidirectionnelles peut être envisagé ; il convient alors de disposer successivement plusieurs couches de quantité importante de nappes juxtaposées de petite largeur. 30 Ce procédé n'est cependant pas pleinement adapté à la réalisation des pièces complexes puisque l'élément de base est une nappe plane donc peu susceptible d'épouser des formes de géométrie complexe. De plus, les temps de cycle de fabrication de ce type de pièces peuvent être relativement longs. Ce procédé est donc peu adapté à la fabrication de pièces à une 35 cadence industrielle. Le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) est un procédé de moulage sous pression dans lequel une préforme de fibres sèches (verre, carbone, aramide) est placée dans un moule puis une résine, éventuellement combinée à des pigments de charge, est injectée dans le moule. Une fois la résine polymérisée, le moule peut être ouvert et la pièce peut être retirée. Ce procédé a l'avantage de produire des pièces qui possèdent deux faces finies. En revanche, ce procédé nécessite des moules coûteux et l'étape de réalisation de préforme est difficilement compatible avec des exigences de cadences industrielles. Le procédé d'infusion de résine sous membrane souple permet de fabriquer des pièces de grandes dimensions. Ce procédé prévoit un drapage à sec de plis de renfort d'un moule puis, après étanchéification par un film étanche, la résine est transférée dans les nappes de renfort entre un réseau de distribution et un ou plusieurs points d'aspiration. Ce procédé a cependant l'inconvénient de fournir des pièces qui ne présentent qu'une unique face fonctionnelle. De plus, les pièces ainsi formées peuvent présenter une mauvaise tenue au cisaillement interlaminaire. Il apparaît donc que les procédés existants présentent chacun des limites d'ordre fonctionnel et/ou industriel. Dans ce contexte technique, un but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation de produits semi finis composites qui peuvent être mis en oeuvre dans la fabrication de pièces de structure ayant des géométries complexes. Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de 25 fabrication d'un produit composite multi axial plan, qui comprend notamment les étapes consistant à : (a) former un matelas ayant une direction longitudinale et une direction transversale, multi couches comprenant au moins les étapes consistant à : 30 - draper sur une surface support de fabrication, une première couche comprenant des nappes juxtaposées de fibres unidirectionnelles de renfort pré imprégnées de résine, les nappes de la première couche présentant un premier angle par rapport à la direction longitudinale du matelas, - draper sur la première couche, au moins une deuxième couche 35 comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les nappes de la deuxième couche présentant un deuxième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas, (b) exercer un compactage sur les couches au nombre d'au moins deux, (c) découper le matelas en au moins un produit composite multi axial plan ayant des propriétés de déformabilité permettant de fabriquer des pièces de forme complexe. L'invention propose ainsi de fabriquer un produit composite selon un procédé qui peut être largement automatisé ; un point essentiel du produit semi fini obtenu par le procédé selon l'invention est sa capacité de déformabilité qui résulte de sa structure multi couche à l'intérieur de laquelle des glissements entre et à l'intérieur des nappes sont possibles. Cette capacité peut être mise en oeuvre pour la réalisation de pièces de forme complexe, par exemple présentant des galbes évolutifs et/ou des galbes à double courbure. II est précisé que le produit composite selon l'invention peut être fabriqué de manière automatisée en un premier lieu pour être ensuite transporté en un second lieu éventuellement distant du premier pour être mis en oeuvre dans un procédé dans lequel le produit composite est déformé. Selon une exécution avantageuse de l'invention, l'étape (a) de 20 formation du matelas comprend l'étape consistant à : - draper sur la deuxième couche, une troisième couche comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un troisième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas. 25 Le produit semi fini obtenu est ainsi un produit tri couches. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention prévoit que le drapage de la première couche est réalisé avec une orientation angulaire comprise entre 10° et 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. Le drapage de la deuxième couche est réalisé avec une orientation 30 angulaire égale à 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. Le drapage de la troisième couche est réalisé avec une orientation angulaire comprise entre -10° et -90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. Selon une possibilité, le procédé peut prévoir les étapes de 35 drapage d'un nombre pair de couches disposées de part et d'autre d'un plan central séparant en deux le matelas, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles opposés. Par angles opposés, on entend des angles dont les valeurs absolues sont identiques mais dont les orientations sont opposées par rapport à la direction longitudinale du matelas. Ainsi à titre d'exemple, une couche ayant une orientation de + 30° et une couche ayant une orientation de -30° au sens du présent document signifie que la première couche forme un angle de +30° par rapport à la direction longitudinale du matelas et que la deuxième couche forme un angle de -30° ou de +150° par rapport à la direction longitudinale du matelas. Il peut également être envisagé des étapes de drapage d'un nombre pair de couches disposées de part et d'autre d'un plan central séparant en deux le matelas, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles identiques. Selon une autre possibilité, le procédé comprend les étapes de drapage d'un nombre pair de couches réparties de part et d'autre d'une couche centrale orientée à 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas, les deux couches d'un même rang par rapport à la couche centrale étant orientées selon des angles opposés. II est prévu que les nappes de fibres unidirectionnelles de renfort pré imprégnées sont drapées sur un support qui se déplace de manière 20 continue selon la direction longitudinale du matelas. De façon concrète, le procédé peut prévoir la formation d'un matelas dont la largeur est de l'ordre 2000 mm. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif qui comprend notamment un convoyeur présentant une surface d'appui se 25 déplaçant de manière continue et au moins deux équipements de fourniture de nappe orientés par rapport au convoyeur respectivement selon le premier angle et le deuxième angle. II peut de plus être prévu que le dispositif comprenne un troisième équipement de fourniture de nappe orienté selon le troisième angle. 30 De plus, le dispositif présente des moyens de découpe du matelas en un produit multi couches. Selon un troisième aspect, l'invention concerne un produit composite semi fini multi axial obtenu par le procédé précédemment décrit comprenant au moins deux couches superposées de fibres unidirectionnelles 35 de renfort pré imprégnées orientées respectivement selon des angles compris entre 10° et 90°. Le produit selon l'invention est donc dépourvu de nappes orientées à O° c'est-à-dire est dépourvu de nappes orientées dans sa direction longitudinale. Cette disposition s'avère importante pour la capacité du produit à se déformer car il est ainsi possible de le déformer pour lui faire épouser une forme gauche en utilisant la faculté de glissement entre elles des nappes et des fibres unidirectionnelles et en exerçant la déformation de préférence selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale du produit. Le produit composite semi fini multi axial selon l'invention est dépourvu de fibres disposées dans sa direction longitudinale qui pourraient s'opposer à sa déformation harmonieuse lorsqu'il est mis en oeuvre dans la fabrication d'une pièce complexe notamment curviligne ou a double galbes. Ainsi après déformation, le taux de fibres reste important et homogène en tous points du produit. Selon une possibilité, le produit composite semi fini multi axial comprend un nombre pair de couches disposées de part et d'autre d'un plan séparant en deux les couches, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles opposés. Selon une autre possibilité, le produit composite semi fini multi axial comprend un nombre pair de couches réparties de part et d'autre d'une couche centrale orientée à 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, les deux couches d'un même rang par rapport à la couche centrale étant orientées selon des angles opposés. De préférence, le produit composite semi fini comprend une superposition de : - une première couche comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un premier angle par rapport à la direction longitudinale du produit, - une deuxième couche comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un second angle par rapport à la direction longitudinale du produit, - une troisième couche comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un troisième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas. II est, en outre, prévu que la première couche soit orientée selon un angle compris entre 10° et 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, que la deuxième couche soit orientée selon un angle égal à 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, que la troisième couche soit orientée selon un angle opposé à l'angle de la première couche compris entre -10° et -90° par rapport à la direction longitudinale du produit. De façon préférée, les fibres unidirectionnelles qui entrent dans la composition du produit selon l'invention sont des fibres de carbone pré imprégnées dans une résine thermodurcissable ou thermoplastique, ce qui permet au produit semi fini après une phase ultérieure d'être utilisé comme pièce de structure notamment dans des applications aéronautiques. Pour sa bonne compréhension, l'invention est décrite en référence au dessin ci annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs formes de réalisation du procédé de fabrication d'un produit composite multi axial plan selon celle-ci. Figure 1 est une vue schématique représentant une forme 15 d'exécution du procédé, Figure 2 est une vue en plan du produit composite en cours de fabrication, Figure 3 est une vue schématique représentant une seconde forme d'exécution du procédé. 20 La figure 1 fait apparaître schématiquement un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend, donc, un convoyeur 2 à bandes ainsi que trois équipements 3, 4, 5 permettant de dérouler des nappes 7, 8, 9 de fibres unidirectionnelles de renfort préimprégné. Ces équipements 3, 4, 5 permettant 25 le déroulement des nappes 7, 8, 9 de fibres unidirectionnelles de renfort sont orientés de manière précise par rapport au convoyeur 2. Dans l'exemple représenté, ces équipements 3, 4, 5 de déroulement sont en nombre de trois et sont orientés respectivement de + 30°, 90°, et - 30° par rapport à la direction de déplacement du convoyeur 2. 30 Les équipements 3, 4, 5 de déroulement peuvent être des tourets ou autres systèmes permettant de délivrer une bande. Les équipements 3, 4, 5 de déroulement peuvent comprendre des moteurs électriques asservis permettant le déroulement d'une longueur déterminée de nappes. De façon manuelle ou automatique, une première couche 10 de 35 nappes unidirectionnelles de fibres de renfort préimprégnées de résine est déposée sur le convoyeur 2. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, cette première couche 10 est orientée selon un angle de 30° par rapport au sens de déplacement du convoyeur. Le sens de déplacement du convoyeur va constituer la direction longitudinale d'un matelas 13 qui sera obtenu par l'empilement de couches successives de nappes unidirectionnelles de fibres de renfort préimprégnées. Au fur et à mesure de l'avancement du convoyeur, des nappes de la première couche 10 sont juxtaposées selon un angle de 30° par rapport à la direction de déplacement du convoyeur 2. Chaque nappe 7, 8, 9 de fibres unidirectionnelles de renfort 10 préimprégnées est coupée à la largeur du convoyeur qui va former la largeur du matelas 13 obtenu par le procédé selon l'invention. A un poste suivant et aval dans la direction de déplacement du convoyeur, on trouve un deuxième équipement 4 de déroulement de nappes de fibres unidirectionnelles de renfort préimprégnées qui forme un angle de 90° 15 avec le sens de déplacement du convoyeur 2. Suivant le même principe, des nappes 8 de fibres unidirectionnelles de renfort sont juxtaposées pour former la seconde couche 11 du matelas. Ces nappes 8 sont coupées à la largeur du convoyeur. Un troisième poste de déroulement de nappes unidirectionnelles de 20 fibres de renfort préimprégnées, qui se situe en aval du poste précédent, est orienté d'un angle de -30° par rapport à la direction de déplacement du convoyeur. Suivant le même principe, une troisième couche 12 de nappes 9 de fibres unidirectionnelles pré imprégnées est formée par juxtaposition de nappes 25 unidirectionnelles de fibres. Une étape de compactage du matelas formé des trois couches ainsi définies est prévue en aval des postes de déroulement. Cette étape de compactage peut être réalisée par le passage du matelas entre deux rouleaux avec éventuellement un chauffage de ceux-ci. L'étape de compactage peut 30 également être effectuée par une mise sous vide de la table avec éventuellement un passage en étuve à une température comprise entre 20°C et 70°C. Le matelas 13 formé de ces trois couches est ensuite, selon l'invention, découpé en produits 1 unitaires de largeur pouvant être égale à 35 150 millimètres et de longueur pouvant être égale à la longueur de la table c'est-à-dire jusqu'à 10 m. Les éléments ainsi formés sont donc des éléments tricouches intégrant des fibres orientées triaxialement. Cet élément multi axial composite plan peut être ensuite utilisé et être déformé selon des formes gauches pour être mis en oeuvre dans des éléments de type renfort en U, en Z, en C, en oméga qui, de plus, présentent un galbe non rectiligne. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus mais elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. Il est notamment envisagé de mettre en oeuvre le procédé pour un matelas comportant deux couches de nappes de fibres unidirectionnelles pré imprégnées orientées selon des angles opposés par rapport à la direction longitudinale du matelas. A la différence de l'exemple de réalisation montré à la figure 1, le matelas ainsi formé se dispense d'une couche centrale orientée à 90°. La figure 3 illustre cette mise en oeuvre de l'invention dans laquelle deux couches de nappes sont superposées ; dans l'exemple illustré les nappes de fibres unidirectionnelles pré imprégnées de la première couche forment un angle de 30° avec la direction longitudinale du produit tandis que les nappes de fibres unidirectionnelles pré imprégnées de la seconde couche forment un angle de -30° avec la direction longitudinale du produit. On peut également préciser que l'invention peut être mise en oeuvre avec un nombre de couches égal à 2, 4, 6, 8 etc. disposées de part en d'autre d'une couche centrale orientée à 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas ainsi formé (cas d'un matelas comprenant un nombre impair de couches) ou disposées de part et d'autre d'un plan de symétrie (cas d'un matelas comprenant un nombre pair de couches sans couche centrale), sachant qu'à l'intérieur d'une paire de couches de même rang par rapport à la couche centrale ou par rapport au plan de symétrie, les nappes de ces couches sont orientées selon des angles opposés. On peut également envisager qu'une ou plusieurs couches autres que la couche centrale soit elle-même orientée de 90° par rapport à la direction longitudinale du produit. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un produit (1) composite multi axial plan, caractérisé en ce qu'il comprend notamment les étapes consistant à : (a) former un matelas (13) ayant une direction longitudinale et une direction transversale, multi couches comprenant au moins les étapes consistant à : - draper sur une surface support de fabrication, une première couche comprenant des nappes juxtaposées de fibres unidirectionnelles de renfort pré imprégnées de résine, les nappes de la première couche présentant un premier angle par rapport à la direction longitudinale du matelas, -draper sur la première couche (10), au moins une deuxième couche (11, 12) comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les nappes de la deuxième couche présentant un deuxième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas, (b) exercer un compactage sur les couches au nombre de au moins deux, (c) découper le matelas (13) en au moins un produit composite multi axial plan ayant des propriétés de déformabilité de manière homogène notamment en double courbure permettant de fabriquer des pièces de forme complexe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) de formation du matelas comprend l'étape consistant à : - draper sur la deuxième couche, une troisième couche (12) comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un troisième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le drapage de la première couche (10) est réalisé avec un angle compris entre 10° et 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le drapage de la deuxième couche (11) est réalisé avec un angle égal à 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le drapage de la troisième couche (12) est réalisé avec un angle compris entre -10° et -90° par rapport à la direction longitudinale du matelas. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de drapage d'un nombre pair de couches disposées de part et d'autre d'un plan séparant en deux le matelas, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles opposés. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de drapage d'un nombre pair de couches disposées de part et d'autre d'un plan séparant en deux le matelas, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles identiques. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de drapage d'un nombre pair de couches réparties de part et d'autre d'une couche centrale orientée à 90° par rapport à la direction longitudinale du matelas, les deux couches d'un même rang par rapport à la couche centrale étant orientées selon des angles opposés. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les nappes de renfort pré imprégnées sont drapées sur un support qui se déplace de manière continue selon la direction longitudinale du matelas. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce 30 qu'il prévoit la formation d'un matelas (13) dont la largeur est de l'ordre 2000 mm. 11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif comprend notamment 35 un convoyeur (2) présentant une surface d'appui se déplaçant de manière continue et au moins deux équipements (3, 5) de fourniture de nappes orientéspar rapport au convoyeur respectivement selon le premier angle et le second angle. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il 5 comprend un troisième équipement (4) de fourniture de nappe orienté selon le troisième angle. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce qu'il présente des moyens de découpe du matelas en un 10 produit semi fini multi couche. 14. Produit composite semi fini multi axial obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux couches (10, 11) superposées de fibres unidirectionnelles de 15 renfort pré imprégnées orientées respectivement selon des angles compris entre 10° et 90°. 15. Produit composite semi fini multi axial selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre pair de couches disposées de part 20 et d'autre d'un plan séparant en deux les couches, les deux couches d'un même rang par rapport audit plan étant orientées selon des angles opposés. 16. Produit composite semi fini multi axial selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre pair de couches réparties de part 25 et d'autre d'une couche (11) centrale orientée à 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, les deux couches d'un même rang par rapport à la couche centrale étant orientées selon des angles opposés. 17. Produit composite semi fini multi axial selon la revendication 15, 30 caractérisé en ce qu'il comprend une superposition de : - une première couche (10) comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un premier angle par rapport à la direction longitudinale du produit, 35 -une deuxième couche (11) comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées,les dites couches présentant un second angle par rapport à la direction longitudinale du produit, - une troisième couche (12) comprenant des nappes unidirectionnelles de fibres de renfort pré imprégnées de résine juxtaposées, les dites couches présentant un troisième angle par rapport à la direction longitudinale du matelas. 18. Produit composite serai fini multi axial selon la revendication 16 ou la revendication 17, caractérisé en ce que la première couche est orientée selon un angle compris entre 10° et 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, en ce que la deuxième couche est orientée selon un angle égal à 90° par rapport à la direction longitudinale du produit, en ce que la troisième couche est orientée selon un angle opposé à l'angle de la première couche compris entre -10° et - 90° par rapport à la direction longitudinale du produit. 19. Produit composite semi fini multi axial selon l'une des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que les fibres unidirectionnelles sont de fibre de carbone pré imprégnées dans une résine thermodurcissable ou thermoplastique.20