Brevet FR2942166A1 — publié le 20100820

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de matériaux composites perforés, notamment pour l'aéronautique. L'utilisation de matériaux composites perforés dans les panneaux d'atténuation acoustique des nacelles de moteurs d'aéronefs pour réduire les émissions de bruit des turboréacteurs, est connue de l'état de la technique. Les panneaux d'atténuation acoustique présentent en général une structure sandwich comprenant une peau structurante, une structure alvéolaire du type nid d'abeille, et une couche résistive généralement formée par une peau perforée qui peut, elle aussi, être structurante. La couche résistive, ou peau acoustique, est généralement fabriquée en matériau composite et doit être polymérisée, puis percée. La réalisation de telles peaux perforées est coûteuse notamment du fait des formes tridimensionnelles variées des peaux, ainsi que de la fragilité intrinsèque du matériau qui les composent, qui compliquent notablement leur perforation. Il est connu dans la technique antérieure des méthodes de fabrication de matériaux composites percés. Ces méthodes sont mises en oeuvre pour réaliser des éléments tels que des peaux composites utilisées dans le domaine de l'aéronautique. De telles méthodes consistent, tout d'abord, à réaliser un préimprégné par drapage avec une résine polymère d'un tissu contenant des fibres, et à mettre en forme l'ensemble à l'aide d'un moule. Ensuite, les plis obtenus sont polymérisés généralement en autoclave. Les peaux composites obtenues sont finalement percées à l'aide de forets. De telles opérations de perçage sont complexes et nécessitent l'emploi d'un appareillage très élaboré pour maintenir en permanence les forets dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface de la peau qui présente une morphologie tridimensionnelle. On connaît, de la demande US 6 451 241, un procédé de perçage à plat l'aide de forets sur un matériau préimprégné qui doit être partiellement polymérisé ou réticulé afin d'obtenir une couche de matériau suffisamment rigide pour le perçage. Une telle rigidité complique la mise en forme tridimensionnelle ultérieure du matériau. La demande EP 0 314 353 concerne un procédé de perçage d'une structure fibreuse avant ajout de la résine pour former un matériau composite plat. Il y a maintien des moyens de perçage dans la masse du matériau pendant sa polymérisation, ce qui est difficilement envisageable pour la mise en forme de pièces tridimensionnelles. La présente invention vise à résoudre ces problèmes, à fournir une solution simple et peu coûteuse, et qui soit compatible avec des matériaux sensibles aux contraintes mécaniques imposées durant la perforation. On atteint le but principal de l'invention avec un procédé de fabrication de matériaux composites, comprenant les étapes successives suivantes : (a) réaliser un préimprégné en un état à plat, (b) pratiquer des perforations sur le préimprégné à plat à l'aide d'un dispositif de poinçonnage, (c) placer le préimprégné dans un moule, et (d) réaliser une étape de polymérisation du préimprégné. Un préimprégné au sens de la présente invention est réalisé à partir d'un tissu de fibres qui sont imprégnées par une résine polymère. Le préimprégné est ensuite perforé à plat à l'aide d'un dispositif de poinçonnage qui n'endommage pas les fibres du tissus, avant mise en forme du matériau préimprégné dans un moule et polymérisation de la résine polymère pour obtenir une pièce finale rigide. Les inventeurs ont mis en évidence de manière inattendue que le poinçonnage est tout à fait approprié au matériau préimprégné. Poinçonner n'entraine pas d'abrasion ou de rupture des fibres du tissu contrairement au perçage avec un foret. Un tel procédé permet de perforer la pièce avant sa mise en forme et est particulièrement avantageux, puisqu'il est préférable de le faire à plat pour plus de précision suivant des opérations facilement reproductibles, garantissant ainsi l'obtention d'un grand nombre de pièces identiques. Grâce au procédé de la présente invention il est possible de s'affranchir des machines de perçage en forme, extrêmement coûteuses. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles du procédé selon l'invention : - à l'étape (a) on ne réalise aucune phase de polymérisation ou de réticulation du matériau ; - à l'étape (b) on utilise un dispositif de poinçonnage chauffant. Pour éviter que de la résine au moins partiellement fluide ne vienne combler les trous après perforation, il peut être avantageux de figer les trous formés dans la résine en la polymérisant localement par chauffage. Cette opération peut se révéler particulièrement avantageuse notamment lorsque l'étape (d) ultérieure de polymérisation est effectuée par cuisson. En effet, une tel processus de cuisson fluidifie considérablement la résine et de fait, risque de provoquer des phénomènes indésirables d'obturation des trous par de la résine liquide avant le durcissage définitif du matériau à la fin de l'étape (d) ; - le dispositif de poinçonnage consiste en au moins un des éléments sélectionnés parmi une aiguille et un picot ; - le dispositif de poinçonnage consiste en au moins une aiguille ou 10 un picot chauffé(e) à une température supérieure à 100°C, et de préférence prise entre 250 et 320°C ; - le dispositif de poinçonnage consiste en au moins une aiguille ou un picot avec un temps d'application dans le matériau de 0 à 20 secondes, de manière préférée 5 à 15 secondes, et de manière encore d'avantage préférée 15 10 secondes ; - à l'étape (d) de polymérisation on réalise une polymérisation thermique ; - à l'étape (d) on réalise une polymérisation en autoclave ; - on prépare le préimprégné à partir de fibres telles que de la fibre 20 de carbone, de la fibre de verre ou leur mélange ; - le préimprégné est le préimprégné Hexcel contenant de la fibre de verre mélangée à de la résine époxy ; D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, et à l'examen des 25 figures ci-annexées, dans lesquelles : - la figure 1 a représente la perforation à plat avec une aiguille d'un préimprégné. - la figure 1 b représente la mise en forme sur moule du préimprégné perforé. 30 - la figure 2a représente une vue de détail du préimprégné avant perforation. - la figure 2b représente en vue de détail l'aspect des trous et de la résine après perforation avec une aiguille chauffante. - la figure 3 représente le préimprégné traversé par un ensemble 35 d'aiguilles ou de picots. A la figure la, la surface plane 1 représente un préimprégné réalisé à partir d'un tissu de fibres de verres et/ou de carbone imprégné par de la résine. Le tissu de fibre utilisé dans la présente invention peut être toute structure fibreuse formée par des fibres de polymères telles que des fibres en Kevlar ou en polycarbonate. Le préimprégné 1 est percé à plat par un dispositif de poinçonnage comprenant au moins une aiguille 2, ou un picot, selon l'épaisseur de matériau à traverser. Le dispositif de poinçonnage utilisé dans le mode de réalisation représenté sur la figure la consiste en une aiguille 2 que l'on peut déplacer de manière à former des trous 3 sur toute la surface du préimprégné 1. On peut également utiliser un dispositif qui présente des rangées d'aiguilles 2 alignées et montées sur un support plan adaptable sur une presse. On peut aussi, de manière alternative à l'emploi d'un tel support plan, par exemple, utiliser un rouleau muni d'un ensemble d'aiguilles ou de picots 2. Après perforation, le dispositif de poinçonnage est extrait du préimprégné 1, et celui-ci est ensuite mis en forme, par exemple dans un moule, non représenté, comme illustré à la figure 1 b. L'ensemble du matériau est ensuite durci. La résine choisie durcit lors d'un processus de polymérisation qui peut être déclenché par tout moyen, pris seul ou en combinaison, tel qu'une irradiation, des microondes, une induction ; ou encore par augmentation de la température, on parle alors de résine thermodurcissable. Lorsqu'il s'agit d'une résine thermodurcissable on procède par cuisson. De telles résines sont couramment utilisées dans le domaine de l'aviation, on pourra citer à titre illustratif la famille des polyuréthanes ou des résines époxy. On utilisera, par exemple, de la résine époxy avec un durcisseur choisi pour réagir dans la gamme de température de cuisson. Dans ce cadre, concernant l'utilisation des résines qui polymérisent dans une certaine gamme de température, il est particulièrement avantageux de mettre en oeuvre le procédé de l'invention avec toute résine qui durcit à une température supérieure à la température ambiante, c'est-à-dire sensiblement de 25°C. Les inventeurs utilisent de préférence une résine qui polymérise à une température supérieure à 100°C. Ceci permet de pouvoir stocker la résine et de la manipuler facilement sans qu'elle ne durcisse. Dans le cadre de la présente invention, les étapes de manipulation du préimprégné avec la résine comprennent la perforation à plat et la mise en forme. Une fois les opérations de perforation terminées, on met en forme le matériau avec la résine époxy thermodurcissable à polymériser à l'aide d'un moule. Ensuite, on dispose le tout dans une étuve ou un autoclave pour obtenir la pièce finale après chauffage, dans les conditions de pression adaptées. La figure 2a montre une vue de détail d'un préimprégné de la société HEXCEL (référence 4) commercialisé sous la référence 914/45%1759 et réalisé à partir d'un tissu de fibres de verres imprégné par de la résine époxy. La figure 2b montre une vue de détail du préimprégné 1 après perforation. Un anneau de polymérisation 5 entoure le trou 3 formé après perforation de la résine thermodurcissable par les aiguilles ou les picots 2 chauffants. On observe, en effet, la polymérisation de la résine à la périphérie du trou 3, ce qui a pour effet de la durcir localement et donc d'éviter le rebouchage de ce trou 3 pendant les phases ultérieures de polymérisation de l'ensemble du préimprégné. Dans le cas présent, compte tenu de la résine époxy utilisée, et pour obtenir une bonne tenue des trous lors de la polymérisation ultérieure de l'ensemble du matériau, il convient de maintenir les aiguilles ou les picots 2 chauffants pendant une durée de 10 secondes à une température comprise idéalement entre 250 et 320 °C. La figure 3 représente la structure fibreuse du tissu de fibres de verres 6 imprégnées par la résine époxy et traversée par les aiguilles ou picots 2. On voit clairement que la structure fibreuse au voisinage des aiguilles ou picots 2 reste continue. Un tel comportement des fibres 6 au contact des aiguilles 2 est particulièrement avantageux étant donné qu'il évite une détérioration mécanique locale des fibres 6 qui fragiliserait le matériau à la périphérie des trous 3. Le procédé selon la présente invention est particulièrement adapté à la fabrication des structures fibreuses percées, sensibles aux contraintes mécaniques. On évite ainsi la rupture pendant la fabrication de telles structures ; ou une fragilisation inadaptée aux utilisations du produit fini, ce qui est un aspect de tout premier ordre étant donnés les critères exigeants en matière de résistance des matériaux des domaines de pointes tel que celui de l'aéronautique. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisations décrits et représentés, fournis à titre de simples exemples. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de matériaux composites, comprenant les étapes successives suivantes : (a) réaliser un préimprégné (1) en un état à plat, (b) pratiquer des perforations (3) sur le préimprégné à plat à l'aide d'un dispositif de poinçonnage, (c) placer le préimprégné dans un moule, et (d) réaliser une étape de polymérisation du préimprégné. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel à l'étape (a) on ne réalise aucune phase de polymérisation ou de réticulation du matériau. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel à l'étape (b) on utilise un dispositif de poinçonnage chauffant. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de poinçonnage consistant en au moins un des éléments sélectionnés parmi une aiguille et un picot (2). 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de poinçonnage consistant en au moins une aiguille ou un picot (2) chauffé(e) à une température supérieure à 100°C. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de poinçonnage consistant en au moins une aiguille ou un picot (2) chauffé(e) à une température prise entre 250 et 320°C. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 35 revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de15poinçonnage consistant en au moins une aiguille ou un picot (2) avec un temps d'application dans le matériau de 0 à 20 secondes. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de poinçonnage consistant en au moins une aiguille ou un picot (2) avec un temps d'application dans le matériau de 5 à 15 secondes. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise le dispositif de poinçonnage consistant en au moins une aiguille ou un picot (2) avec un temps d'application dans le matériau de 10 secondes. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l'étape (d) de polymérisation on réalise une polymérisation thermique. 11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel à l'étape (d) on réalise une polymérisation en autoclave. 12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on prépare le préimprégné à partir de fibres (6) telles que de la fibre de carbone, de la fibre de verre ou leur mélange. 13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise le préimprégné HEXCEL (4) contenant de la fibre de verre mélangée à de la résine époxy. 25 30