Brevet FR2929165A1 — publié le 20091002

PROCEDE D'OBTENTION D'UNE PREFORME DE FIBRES ET DISPOSITIF A FAIBLE INERTIE THERMIQUE POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention se rapporte à un procédé d'obtention d'une préforme de fibres ainsi qu'à un dispositif à faible inertie thermique pour sa mise en oeuvre. Une préforme de fibres est un produit intermédiaire poreux qui est par la suite noyé dans une matrice pour obtenir une pièce en matériaux composites, par exemple par injection ou par infusion de résine sous forme liquide ou de film. Une préforme de fibres est obtenue en solidarisant entre elles différentes fibres, notamment des nappes de fibres, avec un liant, notamment une faible quantité de résine, par exemple sous forme de poudre ou de voile. La rigidité de la préforme permet de la découper à la géométrie de la pièce à 10 réaliser et de la manipuler plus facilement notamment lors de sa mise en place dans un moule. Selon une technique connue, le procédé de préformage consiste à draper des bandes de fibres sur un élément rigide et plein tel qu'un poinçon ou une matrice. Pour assurer un effet de contre forme, un sac à vide (ou une vessie déformable) 15 permet d'exercer une pression sur les bandes de fibres et de les plaquer contre l'élément rigide et plein. Pour augmenter la précision dimensionnelle, les bandes de fibres peuvent être placées entre deux éléments rigides et pleins tels qu'un moule et un contre moule. Pour aboutir à une préforme, les bandes de fibres doivent subir une élévation de 20 température pour assurer la liaison entre les fibres, notamment grâce à la polymérisation d'une faible quantité de résine utilisée comme liant. Pour la suite de la description, les éléments enserrant les bandes de fibres sont appelés outillage et comprennent au moins un élément rigide et plein en contact avec lesdites bandes de fibres. Selon un mode de réalisation, l'outillage et les bandes de fibres sont placés dans 5 une étuve pour assurer l'élévation de température. En variante, l'outillage peut être équipé de son système de chauffage, par exemple, un système de chauffage électrique sous forme de résistances intégrées dans des cavités ménagées dans l'outillage ou un système de chauffage par fluide caloporteur circulant dans des cavités ménagées dans l'outillage. 10 En complément, une pression est exercée sur les bandes de fibres pour conférer une précision dimensionnelle à la préforme. Enfin, les bandes de fibres sont refroidies. Lors de cette phase de refroidissement, les fibres sont maintenues sous pression jusqu'à un certain seuil de température pour éviter une déformation de la préforme. 15 Selon les différentes variantes, le transfert de chaleur vers la préforme est obtenu essentiellement par conduction de l'outillage, notamment de l'élément rigide et plein. Par conséquent, la durée du cycle de température (montée et descente) est liée au cycle de température de l'outillage. Compte tenu de l'inertie thermique 20 importante de l'outillage et du transfert thermique par conduction, on obtient une durée de cycle importante, ne permettant pas d'envisager une production en continue et automatisée afin d'augmenter significativement la productivité. Par ailleurs, selon une autre problématique, on note que les techniques existantes ne permettent pas d'obtenir une température homogène de la préforme lors du 25 cycle de température, les zones de la préforme en contact avec la partie de l'outillage chauffée ayant une température différente de celle du coeur de la préforme. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé d'obtention d'une préforme permettant d'augmenter la productivité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'obtention d'une préforme poreuse à partir de fibres liées grâce à une faible quantité de résine, consistant à placer lesdites fibres dans un outillage de préformage comprenant au moins un élément de conformage, à élever la température de la préforme de manière à obtenir la polymérisation de la résine, à maintenir plaquer les fibres contre l'élément de conformage jusqu'à ce que la température de la préforme descende en dessous d'un certain seuil, l'élévation de température étant obtenue grâce à un transfert thermique entre au moins une source de chaleur et la préforme, caractérisé en ce que ledit transfert thermique se fait par convection au travers de l'outillage de préformage. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va 15 suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue latérale illustrant schématiquement un dispositif selon l'invention, - la figure 2A est une coupe illustrant une première variante d'une partie de 20 l'outillage, - la figure 2B est une coupe illustrant une deuxième variante d'une partie de l'outillage, - la figure 2C est une coupe illustrant une troisième variante d'une partie de l'outillage, 25 - la figure 3 est une coupe illustrant schématiquement un outillage selon l'invention, - la figure 4 est une coupe transversale d'une partie d'une préforme illustrant les différentes bandes de fibres, et la figure 5 est un diagramme illustrant différentes courbes de montée en température de différentes variantes d'outillage ainsi que le gain obtenu grâce à un outillage selon l'invention. Sur les figures 3 et 4, on a représenté en 10 une préforme constituée de fibres liées par un liant. L'invention n'est aucunement limitée à une géométrie de préforme. Toutefois, le procédé selon l'invention est plus particulièrement destiné à la fabrication d'une poutre à section en U destinée à la construction aéronautique. Selon un mode de réalisation, la préforme 10 est réalisée à partir de bandes 12 de fibres superposées. Ces bandes de fibres ou nappes de fibres peuvent être tissées ou non. En fonction des caractéristiques recherchées, les fibres peuvent être en différents matériaux. Comme liant, on utilise au moins une résine. Selon les cas, la résine peut enrober les fibres ou se présenter sous forme de film, de voile, de poudre ou autre. Les bandes ou nappes de fibres sont légèrement imprégnées de résine (de l'ordre de 5% en masse) pour donner une cohésion à l'empilement de bandes ou de nappes après un compactage à chaud afin d'obtenir une préforme de fibres. Cependant, la préforme reste suffisamment poreuse pour être perméable à la résine et permettre son injection. Selon une première variante, les bandes de fibres 12 sont disposées sur un élément de conformage 14 appelé également moule, poinçon ou autre, et recouverte par une vessie de compactage et placées en étuve. Selon une autre variante, les bandes de fibres 12 sont placées entre un moule et un contre moule formant une presse chauffante. Un dispositif plus particulièrement adapté pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention sera décrit ultérieurement. Dans tous les cas, la préforme 10 est en contact avec au moins un élément de conformage 14 de l'outillage suffisamment rigide pour conférer à la préforme la géométrie requise. Selon les formes de la préforme à obtenir, l'élément de conformage 14 peut être plan, comme illustré sur la figure 3, avoir une surface de contact en forme de U, comme illustré sur les figures 2A à 2C, ou avoir tout autre forme. Pour assurer la liaison entre les fibres de la préforme 10 en matériau composite, il est nécessaire d'augmenter la température pour obtenir la polymérisation de la faible quantité de résine. Avantageusement, une pression est exercée lors de la polymérisation afin d'obtenir la précision dimensionnelle requise de la préforme 10. De préférence, lors de la phase de refroidissement, la pression doit être maintenue jusqu'à un seuil déterminé de température pour garantir la géométrie. A l'issue de ce procédé, on obtient une pièce poreuse qui sera par la suite noyée dans une matrice. Selon l'invention, les échanges thermiques entre au moins une source de chaleur ou de froid et la préforme 10 se font par convection au travers de l'outillage de préformage, plus particulièrement à travers au moins un élément de conformage 14. A cet effet, l'outillage, notamment ledit élément de conformage 14, est poreux de manière à permettre à un fluide caloporteur de le traverser, ladite porosité étant ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Selon un première variante, la porosité de l'élément de conformage 14 est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Selon une autre variante, l'élément de conformage 14 comprend une pluralité d'orifices autorisant le passage d'un fluide caloporteur, lesdits orifices étant obturés par des moyens dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Dans ce cas, la surface de l'élément de conformage 14 en contact avec la préforme peut comprendre un film dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A, l'élément de conformage 14 comprend des orifices 16 obtenus par usinage. Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 2B, l'élément de conformage 14 est obtenu à partir d'une tôle 18 ajourée, éventuellement pliée selon les formes de la préforme à réaliser. Selon les besoins, au moins un renfort 20 est prévu pour limiter les déformations de la tôle ajourée lors du procédé. Selon un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 2C, l'élément de conformage 14 comprend une structure 22 pour conférer audit élément 14 sa rigidité et au moins une grille ajourée 24 tendue sur ladite structure 22. Selon une autre caractéristique de l'invention, le transfert thermique en direction de la préforme est dynamique et obtenu par diffusion d'un gaz caloporteur à travers l'outillage de préformage et la préforme. Compte tenu de la faible quantité de résine et du sens de soufflage du gaz 15 caloporteur en direction de la préforme, il n'est pas nécessaire de prévoir un outillage imperméable à la résine. Dans la mesure où la préforme 10 est suffisamment perméable à la résine, elle est perméable au gaz caloporteur, ce qui assure une variation en température plus rapide au coeur de la préforme et des températures plus homogènes à 20 l'intérieur de la préforme. Selon un autre avantage de l'invention, comme illustré par figure 5, on constate que la montée en température est plus rapide, comme le refroidissement, grâce à la masse réduite de l'outillage en raison de sa conception et de la présence d'orifices 16 qui améliorent également le coefficient d'échange thermique. Le 25 cycle de montée et de descente de la température de l'outillage étant plus court, on obtient un meilleur taux d'utilisation de l'outillage, permettant des opérations de drappage et de manutention plus longues. En présence des orifices, il est possible de chauffer en même temps le poinçon et les bandes de fibres posées dessus. On a constaté qu'il n'est pas nécessaire que la température du poinçon monte à la température de préformage, à savoir la température de polymérisation de la résine, pour atteindre la température de préformage des bandes de fibres car ces dernières ont une inertie thermique encore plus faible que le poinçon. Ainsi, la durée du cycle de préformage (montée et descente de température) est encore plus réduite, ce qui améliore encore la productivité de la machine. Sur la figure 4, on a représenté une préforme 10 comprenant six plis superposés. Une sonde 26 est placée entre le troisième et quatrième plis afin de mesurer les évolutions de température. Des moyens 28 sont prévus pour plaquer les bandes de fibres contre l'élément de conformage 14 ainsi que des moyens 30 pour générer un flux d'air chaud placés sous ledit élément de conformage 14. Sur la figure 5, on a représenté des courbes illustrant la montée en température de ladite préforme 10, la courbe 32 correspondant à un outillage comportant une plaque pleine (non poreuse) de 1 mm et la courbe 34 correspondant à un outillage avec une plaque perforée de 1 mm. La courbe 36 illustre le gain entre la plaque pleine et la plaque perforée. Le gain maximal est atteint au bout de 120 secondes et sa valeur est de 25%. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif selon l'invention permettant de réaliser en continu un profilé en matériau composite continu, notamment une poutre à section en U. Ce dispositif comprend un poinçon 40 sur lequel sont déposées des bandes de fibres pré-imprégnées. Cette opération de dépose peut être automatisée. Des moyens permettent d'assurer la translation du poinçon 40 sur un bâti 42 de manière à traverser un premier poste 44 de mise en forme, un deuxième poste 46 de mise en pression et éventuellement un dernier poste de calibrage 48 permettant par exemple de tronçonner le profilé obtenu en continu ou d'usiner la préforme aux côtes finales. Le poste 44 de mise en forme comprend des galets, prévus de part et d'autre du poinçon, pour rabattre les bords des bandes de fibres contre les parois latérales du poinçon lorsque ce dernier défile à l'intérieur dudit poste 44. Des premiers moyens 50 pour générer un flux d'air chaud peuvent être prévus au niveau du poste 44 pour ramollir les bandes de fibres. Des seconds moyens 52 pour générer un flux d'air chaud sont placés sous le poinçon et intercalés entre les postes 44 et 46 afin de chauffer la préforme 10 jusqu'à la température de polymérisation de la résine. Le poste 46 de mise en pression comprend des éléments presseurs tels que des galets ou des plaques exerçant une pression sur les bandes de fibres et les plaquant contre le poinçon lorsque ce dernier défile dans ledit poste 46. Des troisièmes moyens 54 pour générer un flux d'air chaud peuvent être prévus au 15 niveau du poste 46 pour maintenir la préforme à une certaine température lors de la mise en pression. Selon l'invention, le poinçon 40 a une faible inertie thermique et les échanges thermiques avec la préforme fibreuse à travers le poinçon poreux 40 se font essentiellement par convection. Ainsi, on obtient une variation de température au 20 niveau de la préforme plus rapide et des montées en température du poinçon moins importantes. Par conséquent, il est possible de réaliser des préformes en continu et d'augmenter significativement la productivité. Comme indiqué précédemment, le poinçon 40 comprend des orifices qui permettent d'une part de réduire la masse dudit poinçon et donc de réduire 25 l'inertie thermique, et d'autre part, d'augmenter le coefficient d'échange par convection. Ce mode de réalisation permet d'augmenter significativement la vitesse limite d'avancement du poinçon dans le dispositif et donc la productivité dudit dispositif. REVENDICATIONS1. Procédé d'obtention d'une préforme poreuse à partir de fibres liées grâce à une faible quantité de résine, consistant à placer lesdites fibres dans un outillage de préformage comprenant au moins un élément de conformage (14), à élever la température de la préforme de manière à obtenir la polymérisation de la résine, à maintenir plaquer les fibres contre l'élément de conformage (14) jusqu'à ce que la température de la préforme descende en dessous d'un certain seuil, l'élévation de température étant obtenue grâce à un transfert thermique entre au moins une source de chaleur et la préforme, caractérisé en ce que ledit transfert thermique se fait par convection au travers de l'outillage de préformage. 2. Procédé d'obtention d'une préforme selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un outillage de conformage dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. 3. Procédé d'obtention d'une préforme selon la revendication 1 ou 2, 15 caractérisé en ce que le transfert thermique est de type dynamique, un gaz caloporteur étant diffusé à travers l'outillage de préformage. 4. Dispositif d'obtention d'une préforme poreuse à partir de fibres liées grâce à une faible quantité de résine, comprenant au moins un élément de conformage (14), au moins une source de chaleur permettant d'élever la 20 température de la préforme de manière à obtenir la polymérisation de la résine, des moyens pour plaquer les fibres contre l'élément de conformage (14) jusqu'à ce que la température de la préforme descende en dessous d'un certain seuil, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de conformage (14) est poreux de manière à obtenir d'une part un élément de conformage à faible inertiethermique, et d'autre part, un transfert thermique par convection entre ladite au moins une source de chaleur et la préforme. 5. Dispositif d'obtention d'une préforme selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de conformage (14) a une porosité ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. 6. Dispositif d'obtention d'une préforme selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de conformage (14) comprend une pluralité d'orifices. 7. Dispositif d'obtention d'une préforme selon la revendication 6, 10 caractérisé en ce que les orifices sont obturés par des moyens dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. 8. Dispositif d'obtention d'une préforme selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de conformage se présente sous la forme d'une tôle ou d'une grille ajourée. 15 9. Dispositif d'obtention d'une préforme selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour assurer la translation dudit au moins un élément de conformage (14) à travers un premier poste (44) de mise en forme et un deuxième (46) poste de mise en pression ainsi que des moyens (52) pour générer un flux d'air chaud placés sous ledit élément 20 de conformage (14) et intercalés entre lesdits postes (44, 46) afin de chauffer la préforme jusqu'à la température de polymérisation de la résine.