Brevet FR2959442A1 — publié le 20111104

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF D'ASSEMBLAGE DE PRÉFORMES EN COMPOSITES THERMOPLASTIQUES La présente invention est relative à un procédé d'assemblage de pièces composites thermoplastiques ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre un tel procédé. De telles pièces peuvent être notamment utilisées dans l'aéronautique, il peut s'agir de panneaux de fuselage ou bien des structures caissonnées. Il est connu que les composites thermoplastiques ont des propriétés, notamment mécaniques et chimiques, excellentes pour une masse minimale. Ils présentent de plus une forte rigidité et peuvent présenter une excellente tenue mécanique à des températures élevées. Ces composites thermoplastiques sont constitués de renforts à fibres 10 longues noyées dans une matrice de résine thermoplastique. 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 de plus très peu sensibles à la reprise d'humidité. 15 Toutefois les technologies thermoplastiques sont des technologies coûteuses du fait de leur fabrication à hautes températures et du coût des matériaux utilisés. Il serait fortement intéressant de fabriquer des structures comprenant des pièces composites thermoplastiques à faibles coûts. 20 Actuellement, il existe plusieurs méthodes pour l'assemblage de telles pièces composites thermoplastiques qui sont basées sur le principe de soudage. Les deux pièces se recouvrent au niveau de l'assemblage et la zone de recouvrement forme un joint de soudure. De l'état de la technique, on connaît l'assemblage par ultrasons. Les pièces 25 sont superposées et définissent une zone d'interface. Des ultrasons sont appliqués, provoquant une fusion entre les deux pièces dans une région de la zone d'interface. La méthode propose de réaliser ainsi des points de jonction formant un joint de soudure. On connaît également l'assemblage par induction qui consiste à placer un treillis métallique à l'interface entre les deux pièces. Le treillis métallique s'échauffe sous l'effet d'un champ magnétique et transmet sa chaleur aux deux pièces à assembler ce qui provoquer leur fusion. Ce procédé est rendu complexe par le fait que le joint de soudure est rendu électriquement conducteur à cause de la présence du treillis métallique. On connaît l'assemblage par laser dont le rayonnement en passant à travers la matière transparente provoque un échauffement et une fusion des matières se trouvant à l'interface entre les deux pièces. Cette technique ne peut être utilisée que si l'une des pièces à assembler est transparente au rayonnement laser. Outre ces problèmes techniques évoqués ci-dessus, les techniques d'assemblage décrites ci-dessus conduisent à des coûts de fabrication élevés, limitant ainsi une utilisation courante des matériaux en composites thermoplastiques. La présente invention a pour but de proposer un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces en composites thermoplastiques à hautes performances ne présentant pas les limitations et difficultés ci-dessus. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé d'assemblage à coût 20 réduit. Un but de l'invention est de proposer un procédé d'assemblage à trois dimensions simplifié avec des pièces de taille et de géométrie quelconque, qu'elles soient planes ou courbes même avec plusieurs courbures. Ces pièces que l'on appelle préformes sont constituées de plis assemblés entre eux mais non 25 consolidés. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé d'assemblage qui conduise à une liaison ayant une résistance mécanique satisfaisante sans avoir à recourir à un renfort métallique de manière à éviter tout problème d'incompatibilité électromagnétique et de dégradation éventuelle causée par la foudre. 30 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'assemblage d'au moins deux préformes rigides à base de matériau composite thermoplastique pour former une structure à trois dimensions, les deux préformes étant positionnées l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'elles aient au moins une zone de superposition. Selon l'invention, il comprend les étapes successives suivantes : - positionner un ensemble tête de travail et moyen de chauffe dans une région de la zone de superposition pour réaliser un point de jonction par la mise en place d'un organe de fixation, ladite tête de travail comprenant une tête de perçage ayant un corps creux, ladite tête de perçage étant déplaçable le long d'un axe de déplacement entre une position inactivée où elle est en regard de la région et une position activée où elle vient percer les deux préformes, - chauffer localement cette région avec le moyen de chauffe de manière à ramollir localement la région en regard du moyen de chauffe; - percer cette région au moyen de la tête de perçage, - placer l'organe de fixation dans ledit corps creux tout en maintenant en position ladite tête de perçage dans les préformes; - faire pénétrer l'organe de fixation dans les préformes au travers dudit corps creux au moyen d'un poussoir ; - retirer la tête de perçage et déplacer ledit ensemble pour réaliser le point de jonction suivant ; - répéter lesdites étapes de manière à former au moins une ligne de points de jonction dans la zone de superposition. Le procédé de l'invention permet des améliorations significatives par rapport aux procédés existants notamment lors de la réalisation de l'insertion de l'organe de fixation dans les préformes requérant une grande précision de positionnement. En effet, l'insertion de l'organe de fixation dans les préformes est guidée par la tête de perçage restée au moins partiellement dans les préformes, permettant ainsi de contrôler de manière précise le positionnement de l'organe de fixation par rapport au trou de perçage préalablement créé par la tête de perçage. En outre le fait de chauffer localement la région destinée à recevoir l'organe de fixation permet de faciliter l'opération de perçage et l'insertion de l'organe de fixation, en particulier il est possible d'utiliser des têtes de perçage plus fines. Pour un diamètre de l'organe de fixation allant de 0,5mm à 2,5mm, le diamètre de la tête de perçage sera plus grand de 0,5mm, il pourra donc varier de l mm à 3mm Avantageusement, lors de l'étape du retrait de la tête de perçage, on continue à maintenir en position l'organe de fixation à l'aide dudit poussoir. De cette façon, on évite que le retrait de la tête de perçage entraîne le déplacement de l'organe de fixation dans les préformes. Avantageusement pendant l'étape de perçage, le poussoir est positionné dans la partie inférieure de la tête de perçage de manière à renforcer l'extrémité de la tête de perçage pour éviter un risque de rupture de la tête de perçage. Avantageusement, la tête de perçage, le poussoir et l'organe de fixation sont agencés de sorte que les axes de la tête de perçage, du poussoir et de l'organe de fixation sont confondus avec l'axe de déplacement. Avantageusement, l'axe de déplacement est confondu avec la normale au centre de la région en cours de perçage. Pour améliorer le perçage et l'assemblage, la tête de perçage est excitée 10 par une source à ultrasons lorsque ladite tête perce les deux préformes pour générer un échauffement local sur la paroi du trou de perçage. L'organe de fixation peut être en matériau métallique suivant les spécifications de l'assemblage. A titre d'exemple, il peut être en Titane pour assembler des éléments caissonés. 15 Cet organe de fixation peut être également en matériau composite thermodurcissable ou thermoplastique. Lorsque cet organe de fixation étant en matériau composite thermodurcissable, on l'a soumis à une cuisson thermique partielle ayant pour effet de polymériser partiellement la résine thermodurcissable d'une part jusqu'à un stade où ledit organe a acquis une stabilité dimensionnelle 20 suffisante pour assurer sa manipulation et d'autre part limité à un stade où le matériau constituant ledit organe a des propriétés thermoplastiques. De préférence pendant l'assemblage, les deux préformes sont maintenues fixes sur leur périphérie sur un outillage rigide spécifique d'encadrement des préformes à assembler 25 Une des préformes peut être un panneau ou un profilé. L'invention concerne également un dispositif d'assemblage pour mettre en oeuvre le procédé tel que défini ci-dessus. Selon l'invention, il comporte - au moins un ensemble tête de travail et moyen de chauffe, ladite tête de 30 travail comportant une tête de perçage ayant un corps creux, ladite tête étant déplaçable le long d'un axe de déplacement entre une position inactivée où elle est en regard de la région à percer de la zone de superposition et une position activée où elle vient percer les deux préformes, un organe de fixation et un poussoir en position d'appui sur ledit organe de fixation étant aptes à venir se loger dans ledit corps creux, ledit poussoir étant déplaçable le long dudit axe de déplacement dans le corps creux pour faire pénétrer l'organe de fixation dans les préformes au travers dudit corps creux ; - des moyens de déplacement de la tête de perçage et du poussoir le long 5 de l'axe de déplacement ; - des moyens de déplacement de l'ensemble tête de travail et moyen de chauffe de manière à ce que cet ensemble suive un chemin à la surface d'une des deux préformes, ce chemin ayant un tracé correspondant à celui d'une ligne de points de jonction obtenue dans la zone de superposition. 10 Il est avantageux de prévoir un moyen d'appui mobile disposé en aval de la tête de travail de manière à presser les deux préformes au niveau du point de jonction qui vient d'être créé pour maintenir en position l'organe de fixation dans les préformes et des moyens de déplacement dudit moyen d'appui mobile. Ce moyen d'appui peut être réalisé par un ou plusieurs galets. La notion d'aval 15 s'entend en fonction du sens de déplacement de la tête de travail. On va maintenant décrire plus en détail le procédé et le dispositif de l'invention ainsi que les divers modes de mise en oeuvre évoqués ci-dessus avec leurs avantages et intérêts respectifs, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels : 20 - Figure 1 représente un dispositif d'assemblage d'au moins deux préformes selon l'invention ; - Figure 2 illustre schématiquement le principe des différentes étapes constituant le procédé de l'invention. 25 On va décrire un exemple de procédé d'assemblage de deux préformes rigides en matériau thermoplastique pour former une structure à 3D selon l'invention en se référant aux figures 1 et 2. On suppose que dans l'exemple décrit l'une des préformes est un panneau 1 et l'autre est un profilé 2 ayant une section sensiblement en T ou en oméga. 30 D'autres types de préformes sont bien sûr envisageables. En particulier le panneau qui est représenté ici est plan, il pourrait être courbe Ces préformes 1, 2 sont rigides, elles sont réalisées en matériau thermoplastique et sont de préférence stratifiées. Pour renforcer leur rigidité, elles peuvent être renforcées en fibres. Les fibres de renfort peuvent être en carbone, en verre par exemple. Comme matériau thermoplastique on peut employer par exemple des résines de type PEI (polyétherimide), PEEK (polyéthéther-cétone), PEKK (polyétherkétonekétone), PPS (polyphénylsulfone), PA (polyamide) et toutes les résines dérivées (mélanges). Pendant l'assemblage 3D, les deux préformes sont maintenues en position sur un outillage d'encadrement 14 par leur périphérie et sont mises en contact perpendiculairement l'une à l'autre. L'assemblage va se faire par insertion d'organes de fixation 102 entre les deux préformes dans la zone de superposition à l'aide d'un dispositif d'assemblage. Ce dispositif comporte une tête de travail 100 couplée à un moyen de chauffe 4 placé en amont par rapport à la tête de travail. La notion d'amont est définie par rapport au sens de déplacement de la tête de travail qui est représenté sur la figure 1 par une flèche. La tête de travail et le moyen de chauffe sont positionnés en regard de l'une des deux préformes dans la zone de superposition. Le moyen de chauffe est activé de manière à chauffer localement et en amont la zone de positionnement de l'organe de fixation. La résine à la surface de l'une des préformes est alors ramollie, rendant la zone moins résistante pour faciliter le perçage et l'insertion de l'organe de fixation. Ce moyen de chauffe peut être par exemple une barrette IR ou une Torche Air qui a pour fonction de ramollir. Sur la figure 1, la tête de travail 100 comprend une tête de perçage 101 ayant une extrémité pointue pour percer les préformes, cette tête de perçage ayant un corps creux dans lequel viennent se positionner un organe de fixation 102 et un poussoir 103. La tête de perçage 101 est déplaçable le long d'un axe de déplacement 8 entre une position inactivée où elle est en regard de la région à percer de la zone de superposition et une position activée où elle vient percer les deux préformes. Le poussoir est déplaçable le long de ce même axe 8 pour venir en appui contre l'extrémité supérieure de l'organe de fixation 102 pour le faire pénétrer dans les préformes. Sur la figure 1, on a représenté la tête de travail dans une positon inactivée avec l'organe de fixation 102 et le poussoir 103 logés dans le corps creux, le poussoir étant en position d'appui sur l'organe de fixation. En pratique, l'ordre de positionnement de l'organe d'assemblage 102 et du poussoir 103 dans le corps creux est en fonction des différentes étapes constituant le procédé d'assemblage qui sont décrites ci-dessus. La tête de perçage 101, l'organe de fixation 102 et le poussoir 103 sont agencés de sorte que leur axes son confondus avec l'axe de déplacement 8. Selon les modes de réalisation, lors du perçage et de l'insertion de l'organe de fixation 102, ces axes sont également confondus avec la normale au centre de la région à percer. Dans d'autres modes de réalisation, ces axes présentent un angle d'inclinaison par rapport à la normale. La tête de travail 100 et le moyen de chauffe 4 sont reliés respectivement à des moyens de déplacement 10, 9. Ces deux moyens de déplacement sont indépendants. De cette façon, lorsque la tête de travail est positionnée en regard de la région de la zone de superposition pour effectuer l'opération d'assemblage, le moyen de chauffe est déplacé au point suivant pour chauffer localement cette région. On peut tout à fait envisager une autre forme de réalisation dans laquelle le moyen de chauffe et la tête de travail sont commandés par un seul moyen de déplacement qui met en mouvement la tête de travail et le moyen de chauffe l'une après l'autre. De manière connue, les moyens de déplacement peuvent comprendre par exemple un ensemble de déplacement en translation qui permet de déplacer la tête de travail 100 et le moyen de chauffe 4 selon les trois axes X, Y et Z et une articulation offrant deux possibilités de pivotement selon deux axes perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à l'axe Z. Ainsi l'articulation permet d'adapter le positionnement de cette tête de travail aux courbures des préformes à assembler. La tête de travail 100 peut ainsi être toujours positionnée perpendiculairement aux préformes à assembler, selon un axe de travail correspondant à l'axe de l'organe de fixation à mettre en place. De préférence, le moyen de chauffe est orientable grâce au moyen de déplacement 9 de manière à ce que la zone de chauffe soit au plus près de la zone de perçage et d'implantation de l'organe de fixation. La figure 1 représente ainsi le moyen de chauffe 4 dans une position inactivée et une position dans laquelle il est orienté de sorte que le faisceau de la source soit dirigé vers la zone à chauffer. La tête de perçage 101 est mobile en translation selon l'axe de travail 8, entre une position rétractée, visible sur la figure 1 dans laquelle elle n'est pas en contact avec la préforme 1 et apte à être déplacée vers le point de jonction suivant à la surface de la préforme et une position de travail, visible sur la figure 2A dans laquelle elle vient percer les deux préformes 1, 2. Le poussoir 103 est également mobile en translation selon l'axe de travail 8 dans le corps creux de la tête de perçage 101, entre une position rétractée afin de laisser se positionner l'organe de fixation 102 dans le corps creux et une position de travail où il exerce un effort d'appui sur l'extrémité supérieure de l'organe de fixation pour le faire pénétrer dans les préformes. Dans une forme particulièrement avantageuse de l'invention, ce poussoir est déplacé dans l'extrémité de la tête de perçage 101 de sorte que, comme le montre la figure 2A, lors de l'opération de perçage, la tête de perçage perce les préformes 1, 2 avec le poussoir 103 en position basse. La profondeur de perçage est préprogrammée. Une fois le perçage réalisé, le poussoir est déplacé vers sa position rétractée. Un système d'approvisionnement pneumatique vient ensuite alimenter la tête de perçage en organe de fixation 102 tout en laissant la tête de perçage dans les préformes. De ce fait, l'axe de l'organe de fixation est automatiquement confondu avec l'axe de travail, rendant son positionnement par rapport au trou de perçage préalablement réalisé plus précis. Une fois l'organe de fixation 102 positionné dans le corps creux, le poussoir est replacé dans le corps creux de la tête de perçage et il est mis en position d'appui contre l'organe de fixation afin de le faire pénétrer dans les préformes au travers du corps creux 13 (figure 2B). Ainsi l'insertion de l'organe de fixation 102 est guidée par la paroi interne de la tête de perçage 101, améliorant la précision de l'insertion. Une fois l'organe de fixation 102 placé dans les préformes, on retire la tête de perçage 101 tout en continuant à maintenir en position l'organe à l'aide du poussoir 103. Ainsi le mouvement de retrait de la tête de perçage n'entraîne pas le déplacement de l'organe de fixation 102 (figure 2C). La figure 2D illustre l'organe de fixation en position dans les deux préformes en occupant toute l'épaisseur des deux préformes sans être débouchant. On peut également envisager le cas où l'organe traverse entièrement une des préformes et partiellement la deuxième préforme. Lorsque la tête de perçage est entièrement retirée, on rétracte le poussoir vers l'intérieur du corps creux de sorte que la tête de travail ne soit plus en contact avec la surface de l'une des préformes et on déplace la tête de travail et le moyen de chauffe au prochain point de jonction dans la zone de superposition. On répète les étapes décrites ci-dessus (figures 2A, 2B, 2C) de manière à former au moins une ligne de points de jonction entre les deux préformes 1, 2 à assembler. Le déplacement de l'ensemble peut être rectiligne ou curviligne à la surface de la préforme qui est en regard avec l'ensemble. On peut prévoir un système de programmation qui programme la séquence d'assemblage en terme de lignes de jonction sur le profil de l'une des préformes à assembler, coordonnées des organes de fixation sur chaque ligne et angle d'insertion des organes de fixation. Dans une forme particulièrement avantageuse, il est possible d'équiper la tête de travail d'une source à ultrasons pour communiquer une énergie de vibration à la tête de perçage lors du perçage. L'énergie de vibration de cette source est transformée en énergie thermique dans le matériau thermoplastique, en particulier un échauffement local sur la paroi du trou de perçage 13 pour assurer un meilleur effet de liaison entre l'organe de fixation 102 et les deux préformes 1, 2. Selon les modes de réalisation, l'organe de fixation 102 est en matériau métallique. Préférentiellement, cet organe de fixation 102 est en matériau composite thermoplastique, compatible avec la résine thermoplastique des préformes à assembler. Cet organe peut être également en matériau composite thermodurcissable, lorsque la température de transition vitreuse de l'organe de fixation est compatible avec la température de fusion thermoplastique. Le matériau constituant l'organe de fixation est choisi en fonction de la matrice thermoplastique des deux préformes. Par ailleurs, les longueurs et diamètre des organes sont déterminés en fonction des géométries de préformes à assembler. Le procédé comporte en outre une étape finale dans laquelle les deux préformes 1, 2 sont soumises à une consolidation finale afin de consolider l'assemblage entre les deux préformes 1, 2. Pour améliorer la jonction entre les préformes et l'organe de fixation, dans une forme de réalisation de l'invention, il est préférable de prévoir un moyen d'appui 5 disposé en aval de la tête de travail 100. Il presse les deux préformes en aval de la région de la zone de recouvrement située en regard de la tête de travail, et les maintient en position pendant que le point de jonction qui vient d'être créé, est en train de se solidifier en refroidissant. Ce moyen d'appui mobile peut être réalisé par un ou plusieurs galets 6, 7. Pour déplacer cet ensemble galets, un moyen de déplacement 11 est prévu, et il peut être synchronisé avec celui de la tête de travail. 15 REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage d'au moins deux préformes (1, 2) rigides à base de matériau composite thermoplastique pour former une structure à trois dimensions, les deux préformes étant positionnées l'une par rapport à l'autre de manière à ce qu'elles aient au moins une zone de superposition, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - positionner un ensemble tête de travail (100) et moyen de chauffe (4) dans une région de la zone de superposition pour réaliser un point de jonction (12) par la mise en place d'un organe de fixation (102), ladite tête de travail comprenant une tête de perçage (101) ayant un corps creux, ladite tête de perçage (101) étant déplaçable le long d'un axe de déplacement (8) entre une position inactivée où elle est en regard de la région à percer et une position activée où elle vient percer les deux préformes (1, 2) ; - chauffer localement cette région avec le moyen de chauffe (4) de manière à ramollir localement la région en regard du moyen de chauffe; - percer cette région au moyen de la tête de perçage (101), - placer l'organe de fixation (102) dans ledit corps creux tout en maintenant en position ladite tête de perçage (101) dans les préformes ; - faire pénétrer l'organe de fixation (102) dans les préformes au travers dudit corps creux de la tête de perçage (101) au moyen d'un poussoir (103) ; - retirer la tête de perçage (101) et déplacer ledit ensemble pour réaliser le point de jonction suivant ; - répéter ces étapes de manière à former au moins une ligne de points de jonction dans cette zone de superposition. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on retire la tête de perçage (101) tout en continuant à maintenir en position l'organe de fixation (102) à l'aide dudit poussoir (103). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pendant 30 l'étape de perçage, le poussoir (103) est également positionné dans la partie basse de la tête de perçage (101). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tête de perçage (101), le poussoir (103) et l'organe de fixation (102) sont agencés de sorte que les axes de la tête de perçage, du poussoir et de l'organe de fixation sont confondus avec l'axe de déplacement (8). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit axe de déplacement (8) est confondu avec la normale au centre de la région en cours de perçage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tête de perçage (101) est excitée par une source à ultrasons lorsque ladite tête perce les deux préformes (1, 2) pour générer un échauffement local sur la paroi du trou de perçage (13). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe de fixation (102) est en matériau métallique. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que 20 l'organe de fixation (102) est en matériau composite thermodurcissable. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe de fixation (102) est en matériau composite thermoplastique. 25 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant l'assemblage, les deux préformes (1, 2) sont maintenues fixes sur leur périphérie sur un outillage rigide (14) spécifique d'encadrement des préformes à assembler 30 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des préformes est un panneau. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des préformes est un profilé. 15 13. Dispositif d'assemblage pour mettre en oeuvre le procédé d'assemblage défini selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un ensemble tête de travail (100) et moyen de chauffe (4), ladite tête de travail comportant une tête de perçage (101) ayant un corps creux, ladite tête étant déplaçable le long d'un axe de déplacement (8) entre une position inactivée où elle est en regard de la région à percer de la zone de superposition et une position activée où elle est apte à venir percer les deux préformes, un organe de fixation (102) et un poussoir (103) en position d'appui sur ledit organe étant aptes à venir se loger dans ledit corps creux, ledit poussoir étant déplaçable le long dudit axe de déplacement (8) dans le corps creux pour faire pénétrer l'organe de fixation dans les préformes au travers dudit corps creux; - des moyens de déplacement (10) de la tête de perçage (101) et du 15 poussoir (103) le long de l'axe de déplacement (8) ; - des moyens de déplacement (9, 10) de l'ensemble tête de travail et moyen de chauffe de manière à ce que cet ensemble suive un chemin à la surface d'une (1) des deux préformes, ce chemin ayant un tracé correspondant à celui d'une ligne de points de jonction obtenue dans ladite zone de superposition. 20 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen d'appui mobile (5) disposé en aval de la tête de travail de manière à presser les deux préformes au niveau du point de jonction qui vient d'être créé pour maintenir en position l'organe de fixation (102) dans les préformes 25 (1, 2), et des moyens de déplacement (11) dudit moyen d'appui mobile.