Brevet FR2959158A1 — publié le 20111028

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite ainsi qu'à un dispositif pour sa mise en oeuvre. La construction aéronautique tend à recourir aux matériaux composites pour la réalisation de certaines parties d'un aéronef, par exemple pour réaliser des panneaux formant la peau externe du fuselage, afin de réduire la masse embarquée. Les pièces réalisées en matériau composite comprennent une matrice en résine renforcée par des fibres. Selon un mode de réalisation répandu, les fibres se présentent sous la forme d'un ou plusieurs pli(s) tissé(s) ou non, pré-imprégné(s) de résine thermodurcissable, empilés les uns sur les autres dans un ordre et avec des directions de fibres prédéterminés. En variante, les fibres peuvent ne pas être pré-imprégnées. Dans ce cas, on utilise au moins un film de résine. Pour assurer la consolidation de la pièce en matériau composite, il est nécessaire d'augmenter la température pour obtenir la polymérisation de la résine. La présente invention se rapporte plus particulièrement à un mode opératoire consistant à utiliser pour la polymérisation une vessie de compactage et un autoclave. Un tel procédé de fabrication appliqué à une partie d'un fuselage d'aéronef en matériau composite est décrit dans le document FR-2.894.869 ou US-2009020645. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de l'art antérieur. On retrouve en 10 la pièce en matériau composite rapportée sur un outillage étanche 12 et recouverte par une vessie de compactage 14, un joint 16 assurant l'étanchéité entre l'outillage 12 et la vessie de compactage en périphérie de la pièce 10. Un tissu drainant 18 est intercalé entre la pièce 10 et la vessie 14. En complément, un film non perforé 20, permettant de laisser passer les gaz mais retenant la résine lors de la polymérisation, est intercalé entre la pièce 10 et le tissu drainant 18. Des moyens 22 sont prévus pour mettre sous vide le volume délimité par l'outillage 12, la vessie de compactage 14 et le joint 16, lesdits moyens 22 comportant à titre d'exemple au moins un canal 24 ou au moins un orifice prévu à proximité du joint périphérique 16. Cet ensemble est soumis ensuite à un cycle de polymérisation dans un autoclave 10 en appliquant une pression externe de l'ordre de 7 bars (8 bars en pression absolue) et un vide relatif de l'ordre de -0,75 à -0,85 bars. Ce cycle thermique comprend essentiellement une première phase 26 avec une température de l'ordre de 135 à 150 °C durant laquelle la résine est liquide puis une deuxième phase 28 avec une température de l'ordre de 180 °C durant 15 laquelle survient la polymérisation de la résine. Comme illustré sur la figure 2, on génère au niveau de la pièce 10 un vide relatif de l'ordre de -0,85 bars, toujours inférieur à 0, sensiblement constant. L'application du vide dans le volume délimité par l'outillage, la vessie et le joint permet le dégazage pendant tout le cycle ce qui se traduit par un minimum d'air 20 inclus tandis que la pression externe assure le compactage maximum de la pièce ce qui se traduit par un meilleur taux de fibres. Pour la suite de la description, on entend par taux de porosité, le rapport du volume des porosités sur le volume de la pièce x 100. Le taux de porosité est un critère essentiel permettant de caractériser la 25 qualité d'une pièce monolithique en matériau composite avec une matrice de résine. Or, malgré le soin apporté, des porosités se forment lors de la polymérisation et le taux de porosité est souvent proche de la limite acceptable de l'ordre de 3% dans les zones affectées, lesquelles zones affectées devant représenter moins de 1% de la surface de la pièce. Dans le cas le moins défavorable, moyennant des calculs de structure et des dérogations, la pièce peut être utilisée. Lorsque les calculs montrent que la pièce ne peut pas résister aux sollicitations requises, elle est mise aux rebuts. Le fait que le taux de porosité soit généralement proche de la limite acceptable et que des procédures de calcul et de dérogation soient nécessaires dans ce cas rend les délais de fabrication difficilement prévisibles. Pour réduire les risques de porosités au niveau de la face de la pièce en contact avec la vessie, le document FR-2.921.295 propose un système de drainage amélioré comportant une plaque avec des orifices intercalée entre le tissu drainant 18 et le film non perforé 20. La présente demande vise à proposer une autre solution permettant de réduire de manière significative le taux de porosité dans la pièce. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres noyées dans une matrice en résine, ladite pièce étant placée dans une première enceinte avec au moins une paroi souple, ledit procédé comprenant d'une part un cycle thermique avec essentiellement une première phase à une première température durant laquelle la résine est liquide et évolue ensuite vers la «gélification» (début de polymérisation), puis une deuxième phase à une seconde température supérieure à la première durant laquelle survient la solidification de la pièce par la polymérisation avancée de la résine, et d'autre part, une pression externe appliquée à l'extérieur de la première enceinte et une pression interne générée à l'intérieur de la première enceinte, ladite pression interne relative étant inférieure à 0 lors d'une première phase, caractérisé en ce que la pression interne est une contre-pression avec une valeur relative supérieure à 0 durant une deuxième phase précédant le début de la polymérisation pour réduire le taux de porosité. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard 5 des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe d'un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, - la figure 2 est un schéma illustrant un cycle de polymérisation selon l'art antérieur, 10 - la figure 3 est un schéma illustrant un cycle de polymérisation selon l'invention, et - la figure 4 est une coupe d'une variante d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Sur la figure 4, on a représenté en 30 une pièce en matériau composite non 15 polymérisée ou non complètement polymérisée. De manière connue, la pièce 30 comprend des fibres noyées dans une matrice en résine. Selon un mode de réalisation, les fibres se présentent sous la forme d'un ou plusieurs pli(s) tissé(s) ou non, pré-imprégné(s) de résine thermodurcissable, empilés les uns sur les autres dans un ordre et avec des directions de fibres 20 prédéterminés. En variante, les fibres peuvent ne pas être pré-imprégnées. Dans ce cas, on utilise au moins un film de résine. Pour la polymérisation, la pièce 30 est disposée dans un dispositif de polymérisation comportant une première enceinte 32 avec au moins une paroi souple 34, la première enceinte 32 étant disposée dans une seconde enceinte 36. 25 Selon un mode de réalisation, la seconde enceinte 36 est un autoclave dans lequel on génère une pression relative de l'ordre de 7 bars ou une pression absolue de l'ordre de 8 bars. La pression générée dans la seconde enceinte 36 permet via la paroi souple 34 le compactage maximum de la pièce 30 et d'obtenir donc un meilleur taux de fibres. Selon un mode de réalisation, la première enceinte 32 comprend un outillage 38 rigide et étanche, une vessie assurant la fonction de paroi souple 34, et avantageusement un joint 40 intercalé entre l'outillage 38 et la vessie 34. Généralement, une première face de la pièce est en contact avec l'outillage 38 alors que la face opposée est en contact avec la vessie 34, le joint 40 s'étendant en périphérie de la pièce 30. Au moins une cale de bordure 42 peut être prévue en périphérie de la pièce 30. L'outillage 38, la vessie 34, le joint 40 et la cale de bordure 42 ne sont pas plus décrits car ils sont connus de l'homme du métier. Pour limiter la porosité et évacuer les gaz dans la première enceinte 32, le dispositif de polymérisation comprend des moyens de drainage avec au moins un tissu de drainage 44 intercalé entre la pièce 30 et la vessie 34. Avantageusement, un film non perforé 45, permettant de laisser passer les gaz mais retenant la résine lors de la polymérisation, est intercalé entre la pièce 30 et le tissu drainant 44. En complément, les moyens de drainage comprennent des moyens 46 pour ajuster la pression à l'intérieur de la première enceinte 32 et de préférence au moins un canal de drainage 48 assurant la continuité entre le tissu de drainage 42 et les moyens 46 pour ajuster la pression à l'intérieur de la première enceinte 32. Le tissu de drainage 42, le film non perforé 45, les moyens 46 pour ajuster la pression et le canal de drainage 48 ne sont pas plus décrits car ils sont connus de l'homme du métier. Le cycle de polymérisation comprend, comme illustré sur la figure 3, un cycle thermique avec essentiellement une première phase 50 à une première température, par exemple de l'ordre de 135 à 150 °C durant laquelle la résine est liquide ou à l'état de « gel », puis une deuxième phase 52 à une seconde température supérieure à la première, par exemple de l'ordre de 180 °C, durant laquelle survient la solidification de la pièce par la polymérisation avancée de la résine. Durant le cycle de polymérisation, on exerce dans la seconde enceinte 36 une pression 54 dite externe absolue de l'ordre de 8 Bars (pression relative de 7 Bars), comme illustré sur la figure 3. Cette pression externe peut être atteinte par différents paliers. Selon l'invention, la pression interne générée à l'intérieur de la première enceinte 32 n'est pas constante et comprend une première phase 56 durant laquelle la pression interne relative est inférieure à 0 ou la pression interne absolue est inférieure à 1 Bars, puis une deuxième phase 58 pendant toute la phase de la polymérisation durant laquelle la pression interne est une contre-pression avec une valeur relative supérieure à 0 ou absolue supérieure à 1 Bars. La première phase 56 a pour finalité de réduire la quantité de gaz inclus dans la pièce 30. Durant la seconde phase, la résine est à l'état liquide ou à l'état de « gel » si bien que sa pression à l'intérieur de la pièce 30 est sensiblement uniforme aux pertes de charge près. Cette contre-pression permet de réduire la taille des porosités et donc le taux de porosité. Plus cette contre-pression est élevée plus le taux de porosité final est réduit. Toutefois, cette contre-pression doit être suffisamment inférieure à la pression externe de manière à conserver la forme de la pièce en contact avec la vessie 34. Avantageusement, on utilise un gaz neutre pour la contre-pression, par exemple de l'azote, de façon à éviter tout risque d'auto-inflammation et de combustion. L'efficacité de l'invention se démontre de la manière suivante : Soit W le volume des porosités sans contre-pression et W' le volume des porosités avec la contre-pression, le taux de porosité est égal à W/V ou W'/V, V étant le volume considéré de la pièce. Soit Pint la pression interne dans la pièce lors de l'application de la contre-pression et Pvide la pression sans la contre-pression, on obtient Pint.W'=Pvide.W=nRT ou Pint.W'/V=Pvide.W/V. Ainsi, le taux de porosité avec la contre-pression est égale à Pvide/Pint x le taux 5 de porosité sans contre-pression. Ainsi, si on applique une contre-pression de 2 Bars en pression absolus, avant ou au lieu d'une pression Pvide=0,25 Bars en pression absolue, on divise le taux de porosité par 8 par rapport au procédé de l'art antérieur sans contre-pression. Si on applique une pression Pint de 4 Bars en pression absolue, après ou au lieu 10 d'une pression Pvide=0,15 Bars en pression absolue, on divise le taux de porosité par 27 par rapport au procédé de l'art antérieur sans contre-pression. La réduction significative du taux de porosité permet de limiter les procédures de dérogation ou la mise aux rebuts de pièces, ce qui contribue à rendre plus prévisibles les délais de fabrication. 15 Selon un autre point, le taux de porosité étant sensiblement inférieur à la limite acceptable, on pourrait envisager de supprimer les phases de contrôle par Ultra-sons pour vérifier la validité des pièces. Selon l'invention, le dispositif comprend des moyens pour produire au moins une contre-pression à l'intérieur de la première enceinte 32. 20 Avantageusement, les moyens 46 pour ajuster la pression à l'intérieur de la première enceinte sont de type réversible et sont aptes à produire un vide dans ladite première enceinte et à produire une contre-pression avec une valeur relative supérieure à 0 ou absolue supérieure à 1 Bars. En variante, le dispositif peut comprendre des moyens pour générer un vide à 25 l'intérieur de la première enceinte et des moyens pour produire une contre-pression distincts des moyens pour produire le vide. Selon une autre caractéristique de l'invention, on applique une contre-pression de manière localisée. Ainsi, on applique la contre-pression où les porosités sont susceptibles d'apparaître, notamment au niveau des variations d'épaisseurs et plus particulièrement au niveau des formes en saillie, par exemple des renforts ou des raidisseurs comme illustré sur la figure 4. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un capillaire 60 qui 5 débouche dans la première enceinte 32 au niveau d'une zone au niveau de laquelle sont susceptibles d'apparaître les porosités. De préférence, les capillaires 60 ont un diamètre réduit, de l'ordre de 1 à 2 mm et sont disposés entre la vessie 34 et le tissu drainant 44 pour déboucher chacun d'une part au niveau d'une zone où les porosités sont susceptibles 10 d apparaître et d'autre part en périphérie de la pièce au niveau du joint. Selon un autre aspect, la vitesse avec laquelle la contre-pression est établie doit être inférieure à de l'ordre de 1 bar/min de sorte à limiter un gradient de pression trop important à l'intérieur de la pièce susceptible de modifier l'agencement des fibres. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant des fibres noyées dans une matrice en résine, ladite pièce étant placée dans une première enceinte (32) avec au moins une paroi souple (34), ledit procédé comprenant d'une part un cycle thermique avec essentiellement une première phase (50) à une première température durant laquelle la résine est liquide ou à l'état de « gel », puis une deuxième phase (52) à une seconde température supérieure à la première durant laquelle survient la solidification de la pièce par la polymérisation de la résine, et d'autre part, une pression externe appliquée à l'extérieur de la première enceinte (32) et une pression interne générée à l'intérieur de la première enceinte (32), ladite pression interne relative étant inférieure à 0 lors d'une première phase (56), caractérisé en ce que la pression interne est une contre-pression avec une valeur relative supérieure à 0 durant une deuxième phase (58) précédant le début de la solidification de la pièce pour réduire le taux de porosité. 2. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-pression est inférieure à la pression externe. 3. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on injecte un gaz neutre pour la 20 contre-pression. 4. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte la contre-pression de manière localisée dans la première enceinte (32). 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque 25 des revendications précédentes, comprenant une première enceinte (32) avec aumoins une paroi souple (34) dans laquelle est disposée une pièce en matériau composite à réaliser, ladite première enceinte étant disposée dans une seconde enceinte (36) dans laquelle on génère une pression externe et un cycle thermique avec essentiellement une première phase (50) à une première température durant laquelle la résine est liquide ou à l'état de « gel », puis une deuxième phase (52) à une seconde température supérieure à la première durant laquelle survient la solidification de la pièce par la polymérisation de la résine, ledit dispositif comportant des moyens pour générer une pression relative inférieure à 0 à l'intérieur de ladite première enceinte (32), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour générer une contre-pression avec une valeur relative supérieure à 0 à l'intérieur de la première enceinte (32). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capillaire (60) pour injecter la contre-pression de manière localisée. 7. Dispositif selon la revendication 6, ledit dispositif comportant d'une part un outillage (38), une vessie (34) formant une paroi souple et délimitant avec ledit outillage (38) une première enceinte (32), et d'autre part un tissu drainant (44) disposé entre la pièce en matériau composite et la vessie (34), caractérisé en ce que ledit au moins un capillaire (60) est disposé entre la vessie (34) et le tissu drainant (44) pour déboucher d'une part au niveau d'une zone où les porosités sont susceptibles d'apparaître et d'autre part en périphérie de la pièce à réaliser (30).