Brevet FR2969027A1 — publié le 20120622

PROCEDE DE RECYCLAGE D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET MACHINE DE DECOUPAGE Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de recyclage d'une pièce en matériau composite et, en particulier, d'une pièce en matériau composite à matrice thermoplastique renforcée de fibres continues. Ce procédé permet une transformation d'une pièce en matériau composite en des lamelles de matériau composite pouvant être réutilisées pour fabriquer de nouvelles pièces en matériau composite. L'invention concerne également une machine de découpe d'une pièce en matériau composite. L'invention trouve des applications dans le domaine du recyclage et, en particulier, dans le domaine du recyclage des matériaux composites à matrice thermoplastique renforcés par des fibres continues. Etat de la technique Actuellement, pour des raisons écologiques, on cherche à recycler au maximum les déchets produits par l'homme. Les matériaux composites constituent une part de plus en plus importante des déchets non-recyclés. En effet, le développement des matériaux composites est récent. Les premières pièces en matériaux composites, produites il y a quelques années, arrivent aujourd'hui en fin de vie et deviennent des déchets. Comme l'utilisation de ces matériaux composites, en remplacement du métal, a connu une très forte croissance ces dernières années, dans de nombreux secteurs comme l'automobile et l'aéronautique, le nombre de pièces en fin de vie va évoluer rapidement dans les prochaines années. Actuellement, ces déchets ne sont pas recyclés et sont mis en décharge, ce qui génère une pollution. Certaines de ces pièces en matériau composite sont des pièces de grande envergure, comme des panneaux de voilure, ou des fuselages d'aéronefs dans les années futures, et leur mise en décharge concernera des quantités de matériaux de plus en plus importantes, ce qui constitue un véritable problème. Il est donc important, pour limiter ces décharges et la pollution qu'elles produisent, de pouvoir recycler les pièces en matériau composite. De plus en plus de pièces en matériau composite sont réalisées dans un matériau comportant une matrice thermoplastique. Cette matrice thermoplastique présente une transition solide liquide réversible ; elle peut donc être remise en oeuvre. Il est donc envisageable de recycler des pièces en matériau composite arrivées en fin de vie ou des chutes de matériau composite non utilisées lors de la production des pièces. Actuellement, il existe peu de techniques de recyclage des pièces en matériau composite. L'une de ces techniques consiste à broyer les pièces en matériau composite en fin de vie afin de transformer lesdites pièces en une poudre ou un broyat grossier qui peut être ajouté, comme charge, dans la fabrication de nouvelles pièces en matériau composite, par exemple de type BMC (Bulk Moulding Compound, en termes anglo-saxons). Toutefois, ces poudres et broyats étant utilisés uniquement comme charge supplémentaire dans la fabrication des nouvelles pièces, la totalité des pièces en matériau composite ne peut être recyclée avec un tel procédé. Une autre technique de recyclage des matériaux composites propose de recycler des chutes de fibres de carbone pré-imprégnées d'une matrice PEEK (Polyétheréthercétone). Une telle technique est décrite dans l'article « Recycling of APC-2 offcuts » de R.J. Day, A.K. Wood et S.F. Pang, Manchester materials Science Centre, Grosvenor Street, manchester MI 7HS, UK. Elle consiste à broyer en morceaux les chutes non utilisées de matériaux composites neufs afin de réaliser un composé d'injection PEEK renforcé de fibres courtes en ajoutant du PEEK pur à l'aide d'un procédé d'extrusion bis vis. Cependant, cette technique permet uniquement d'utiliser des chutes de matériaux composites, c'est-à-dire les parties d'un matériau composite non utilisées pour réaliser la fabrication d'une pièce neuve. Elle ne permet nullement de recycler des pièces en fin de vie et ne résout donc pas les problèmes de mise en décharge de ces pièces. Une autre technique propose de broyer des chutes d'un matériau composite pré-imprégné pour les réutiliser dans la fabrication d'une autre plaque de matériau composite à l'aide d'un procédé de moulage par compression. Cette technique est décrite dans l'article « Recycling Carbon-Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites, de G. Schinner, J. Brandt et H. Richter, Journal of Thermoplastic Composite Materials 1996 ;9 ;239. Cependant, cette technique permet uniquement d'obtenir un broyat de matériau composite, avec des fibres courtes qui ne permettent pas d'obtenir une plaque ayant de bonnes propriétés mécaniques. Les plaques ainsi obtenues ont donc très peu d'applications. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose un procédé pour recycler les pièces en matériau composite, notamment celles en fin de vie, en découpant ces pièces en lamelles pouvant être moulées par compression à chaud afin de fabriquer de nouvelles pièces. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de recyclage d'une pièce en matériau composite à matrice thermoplastique renforcé en fibres continues, caractérisé par le fait qu'il comporte les opérations suivantes : - découpage de la pièce à recycler en lamelles suivant un plan contenant des fibres, - découpage des lamelles en copeaux de dimensions prédéfinies, - insertion des copeaux dans un moule de forme prédéterminée, et - compression à chaud des copeaux dans le moule pour obtenir une pièce recyclée. Ce procédé a l'avantage de permettre le recyclage de la totalité des pièces en matériau composite à recycler pour fabriquer de nouvelles pièces. Le procédé de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le découpage de la pièce à recycler est réalisé parallèlement à la surface de ladite pièce. - les lamelles sont planes et ont une géométrie prédéfinie. Cette caractéristique peut permettre une automatisation de la découpe des lamelles en copeaux. - les lamelles sont découpées dans une largeur et une épaisseur prédéfinies. De cette façon, les lamelles peuvent avoir des dimensions adaptées au moule de fabrication de la nouvelle pièce. - les copeaux sont insérés dans le moule de façon à ce que leurs fibres soient parallèles au plan du moule, ce qui permet, après compression à chaud, que les fibres des copeaux soient liées entre elles. - les copeaux sont découpés suivant une géométrie adaptée à la forme du moule. - le découpage des lamelles dans la pièce à recycler peut être réalisé plan par plan, sur toute l'épaisseur de ladite pièce. L'invention concerne également une machine de découpe d'une pièce en matériau composite permettant de mettre en oeuvre le procédé exposé précédemment. Pour cela, la machine de découpe de l'invention comporte un mandrin apte à maintenir une lame de découpe d'une largeur adaptée à la largeur des lamelles à découper. Cette machine peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - elle comporte des moyens de déplacement du mandrin aptes à déplacer linéairement la lame de découpe sur la longueur de la pièce à recycler et sur la largeur de ladite pièce. - la lame de découpe est inclinée d'un angle supérieur à 90° par rapport à la trajectoire d'avancée de ladite lame. - la lame de découpe est animée d'un mouvement rotatif associé à un déplacement rectiligne parallèle à la surface de la pièce à recycler pour permettre directement la découpe en copeaux de ladite pièce. Brève description des dessins La figure 1 représente un diagramme fonctionnel du procédé de recyclage de l'invention. La figure 2 représente schématiquement une machine de découpe permettant de mettre en oeuvre le procédé de la figure 1. Description de modes de réalisation détaillés de l'invention L'invention concerne un procédé pour recycler des pièces en matériau composite en fin de vie et/ou des chutes ou rebus de matériau composite afin de fabriquer de nouvelles pièces en matériau composite. Ce procédé concerne en particulier des pièces réalisées dans un matériau composite à matrice thermoplastique renforcée de fibres continues, telles que des fibres de verre ou des fibres de carbone par exemple. Ce procédé de recyclage, représenté sous forme fonctionnelle sur la figure 1, comporte une opération 10 de découpe en lamelles de la pièce 1 en matériau composite à recycler. Cette pièce 1 peut être une pièce en fin de vie ou bien une chute ou un rebus en matériau composite ou toute autre pièce en matériau composite à recycler. L'opération 10 de découpe en lamelles consiste à découper la pièce 1 en couches fines, appelées lamelles. La largeur et l'épaisseur de ces lamelles sont des paramètres modifiables en fonction notamment de la pièce à recycler, de la nouvelle pièce à fabriquer et/ou de l'outil de découpe utilisé. La longueur des lamelles peut être identique à la longueur de la pièce 1 à recycler ; cette longueur peut aussi être prédéfinie en fonction de la nouvelle pièce à fabriquer et/ou de l'outil de découpe utilisé. Quels que soient ces paramètres de largeur, longueur et épaisseur, les lamelles sont découpées suivant un plan contenant les fibres. Les lamelles sont donc découpées suivant un plan parallèle à la surface de la pièce 1, ce plan contenant les fibres dans leur plus grande longueur. Une telle découpe permet de conserver une longueur de fibres relativement importante. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'opération 10 consiste à délaminer la pièce 1 à recycler, sur toute la longueur de ladite pièce, en lamelles d'épaisseur et de largeur constantes. L'épaisseur de ces lamelles peut être de l'ordre de 0,1 à 1 mm. La largeur peut être de l'ordre de 15 à 20 mm. Comme montré sur la figure 1, une opération 20 consiste ensuite à découper ces lamelles en copeaux. Les dimensions des copeaux peuvent être choisies en fonction des dimensions de la nouvelle pièce à fabriquer. Ces dimensions peuvent aussi être standard de façon à être facilement adaptables à toutes sortes de nouvelles pièces à fabriquer. Ces copeaux de taille prédéfinie ont l'avantage d'être faciles à utiliser pour la fabrication de nouvelles pièces, quelles que soient les dimensions de ces nouvelles pièces. Ils ont surtout l'avantage de présenter des fibres relativement longues par rapport aux fibres des broyats de l'art antérieur. Les fibres des copeaux de l'invention ont une longueur maximale égale à la dimension la plus grande des copeaux. Les copeaux obtenus selon le procédé de l'invention ont une géométrie prédéfinie et reproductible, ce qui permet de les utiliser aisément pour la fabrication d'une nouvelle pièce en matériau composite. Ils ont aussi des fibres assez longues pour assurer à cette nouvelle pièce des propriétés mécaniques correctes, par exemple en résistance à l'impact, en contrainte à rupture, etc. Après découpage, une opération 30 consiste à installer les copeaux dans un moule d'une forme prédéterminée correspondant à la forme de la nouvelle pièce à fabriquer. Ces copeaux peuvent être disposés de manière aléatoire dans le moule. Ils sont toutefois disposés de façon à conserver toujours une direction de fibres parallèle au plan du moule. Une opération 40 consiste ensuite à mouler les copeaux par compression à chaud selon une technique de compression connue dans le domaine des matériaux composites. Le cycle de compression à chaud utilisé dépend du matériau thermoplastique considéré. Durant ce cycle, la matrice thermoplastique repasse à l'état fondu et flue à l'intérieur du moule, ce qui permet de lier les fibres de chaque copeau entre elles formant ainsi un matériau homogène, sans porosité. Un outillage de compression, adapté au moule, est utilisé afin de compresser à chaud les copeaux dans le moule, sous une pression de l'ordre de 10 à 50 bars Cet outillage de compression peut être une presse chauffante, ou tout autre moyen de compression à chaud utilisé habituellement dans le domaine des matériaux composites. Une fois compressés, les copeaux constituent une nouvelle pièce 2. Cette nouvelle pièce 2 peut avoir de nouvelles fonctions dans le même domaine que la pièce d'origine ou dans un domaine technique différent. Le procédé de l'invention permet d'obtenir, grâce à la découpe en lamelles, des fibres d'une longueur relativement importante permettant la fabrication d'une nouvelle pièce, ou pièce recyclée, ayant des propriétés mécaniques suffisamment bonnes pour pouvoir être utilisée dans certains domaines techniques. En effet, les propriétés mécaniques des nouvelles pièces sont inférieures à celles des pièces initiales, réalisées avec un matériau composite neuf, mais elles sont suffisantes pour répondre à certains cahiers des charges, dans des applications ou des secteurs où la résistance mécanique peut être moindre. Le procédé de l'invention peut, en particulier, être appliqué à la fabrication de pièces de structure secondaire comme des éléments aérodynamiques de jonctions de voilure à fuselage sur un aéronef, ou des pièces soumises à peu d'effort de structure comme les ailerons et les volets des aéronefs, ou encore pour des pièces d'aménagement intérieur des aéronefs. La découpe en lamelles, selon le procédé de l'invention, est réalisée au moyen d'une machine de découpe. Cette machine de découpe peut être toute machine permettant de découper des couches d'un matériau. Un exemple d'une machine de découpe est représenté sur la figure 2. Dans cet exemple, la machine de découpe 4 comporte un mandrin 4a supportant une lame de découpe 4b. Des moyens de déplacement 4d sont fixés, d'une part, sur le mandrin 4a et, d'autre part, sur un moteur (non représenté sur la figure) afin d'assurer un déplacement linéaire de la lame de découpe 4b via le mandrin 4a. Les moyens de déplacements 4d assurent au moins un déplacement bidirectionnel de la lame de découpe, c'est-à-dire un déplacement suivant la direction X correspondant à la longueur de la pièce 1 et un déplacement suivant la direction Y correspondant à la largeur de ladite pièce 1 Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens de déplacement 4d assurent également un déplacement suivant l'épaisseur de la pièce 1 pour permettre une découpe de la pièce 1 en épaisseur. Dans un autre mode de réalisation, la pièce 1 à recycler repose sur un plateau mobile apte à déplacer la pièce 1 suivant une direction Z correspondant à l'épaisseur de ladite pièce 1. La lame de découpe 4b de la machine de découpe 4 est une lame d'une grande résistante. Cette lame est de préférence métallique, par exemple en acier durci. Elle est fixée sur le mandrin 4a par l'intermédiaire de moyens de fixation 4c, suivant une inclinaison prédéfinie. Le positionnement de la lame suivant l'axe Z définit l'épaisseur des lamelles. En outre, l'inclinaison de la lame a une incidence directe sur la planéité des lamelles découpées : plus la lame est inclinée vers la surface de la pièce à recycler et plus les lamelles se découpent facilement. Cette inclinaison doit être d'un angle supérieur à 135° par rapport à la trajectoire d'avancée de la lame, c'est-à-dire par rapport à l'axe X. Dans l'exemple de la figure 2, la lame de découpe 4b est inclinée d'environ 140° par rapport à la trajectoire d'avancée de ladite lame. La lame de découpe 4b peut être fixée inclinée par rapport au 35 mandrin, son inclinaison par rapport au plan de la pièce 1 à recycler étant alors obtenue au niveau de la fixation 4c de la lame sur le mandrin ; elle peut aussi être fixée rectiligne par rapport au mandrin, son inclinaison étant alors obtenue grâce aux moyens de déplacement 4d. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la lame de découpe 4b est interchangeable. De cette façon plusieurs lames de largeurs différentes peuvent être installées sur la machine pour permettre la découpe de lamelles de largeurs différentes. L'angle d'inclinaison de la lame de découpe et sa vitesse d'avancée peuvent être des données paramétrables de façon à produire des lamelles de planéités différentes selon l'application envisagée. Ces deux paramètres sont de préférence optimisés pour obtenir les lamelles les plus planes possibles. Le déplacement en longueur de la lame de découpe peut également être paramétrable de façon à pouvoir découper des lamelles de longueurs différentes selon l'application envisagée. Une fois la lame choisie, la vitesse d'avancée et l'inclinaison paramétrées, la machine 4 découpe des lamelles de géométrie identique. Dans un mode de réalisation de l'invention, la lame de découpe 4b peut être animée d'un mouvement rotatif (de type rabot) associé à un déplacement rectiligne parallèle à la surface de la pièce à recycler pour permettre directement la découpe en copeaux de ladite pièce. On comprend de ce qui précède que le procédé de recyclage de l'invention peut être automatisé pour offrir une découpe en continu de lamelles suivant toute la surface de la pièce 1 à recycler puis sur toute l'épaisseur de ladite pièce. Autrement dit, l'automatisation du procédé de l'invention peut prévoir un déplacement rectiligne de la lame de découpe sur la longueur de la pièce 1 à recycler, dans le sens des fibres de ladite pièce 1, pour réaliser une première lamelle, puis un déplacement latéral pour découper une deuxième lamelle sur la longueur de la pièce 1, etc. Une fois la surface de la pièce totalement découpée, la découpe se poursuit lamelle par lamelle par la surface suivante de la pièce. Le découpage de la pièce est ainsi réalisé plan par plan, sur toute l'épaisseur de la pièce 1 à recycler. Il est à noter que le découpage de la pièce 1 peut aussi être réalisé épaisseur par épaisseur, sur toute la surface de la pièce 1. Les lamelles ainsi découpées sont ensuite récupérées de façon automatique pour être redécoupées, automatiquement, en copeaux. Le procédé qui vient d'être décrit permet de fabriquer de nouvelles pièces en matériau composite quasi isotropiques, c'est-à-dire dont les propriétés ne varient pas avec la direction. En outre, bien que les propriétés mécaniques de ces nouvelles pièces soient inférieures aux propriétés des pièces dont elles sont issues, ces propriétés sont suffisantes pour remplir le cahier des charges de pièces non structurales ou de structures secondaires ne nécessitant pas de sollicitations extrêmes.10 REVENDICATIONS1. Procédé de recyclage d'une pièce en matériau composite à matrice thermoplastique renforcé en fibres continues, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - découpage (10) de la pièce à recycler (1) en lamelles suivant un plan contenant des fibres, - découpage (20) des lamelles en copeaux de dimensions prédéfinies, - insertion (30) des copeaux dans un moule de forme prédéterminée, et - compression à chaud (40) des copeaux dans le moule pour obtenir une pièce recyclée (2). 2. Procédé de recyclage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le découpage de la pièce à recycler est réalisé parallèlement à la surface de ladite pièce. 20 3. Procédé de recyclage selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les lamelles sont planes et ont une géométrie prédéfinie. 4. Procédé de recyclage selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les lamelles sont découpées dans une largeur et une épaisseur prédéfinies. 5. Procédé de recyclage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les copeaux sont insérés dans le 30 moule de façon à ce que leurs fibres soient parallèles au plan du moule. 6. Procédé de recyclage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les copeaux sont découpés suivant une géométrie adaptée à la forme du moule.15 7. Procédé de recyclage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le découpage des lamelles dans la pièce à recycler est réalisé plan par plan, sur toute l'épaisseur de ladite pièce. 8. Machine de découpe pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un mandrin (4a) apte à maintenir une lame de découpe (4b) d'une largeur adaptée à la largeur des lamelles à découper. 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (4d) de déplacement du mandrin aptes à déplacer linéairement la lame de découpe (4b) sur une longueur de la pièce à recycler (1) et sur la largeur de ladite pièce. 10. Machine de découpe selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la lame de découpe (4b) est inclinée d'un angle supérieur à 90° par rapport à la trajectoire d'avancée de ladite lame. 20 11. Machine de découpe selon la revendication 8 ou 9 caractérisée en ce que la lame de découpe (4b) peut être animée d'un mouvement rotatif associé à un déplacement rectiligne parallèle à la surface de la pièce à recycler pour permettre directement une découpe en copeaux de ladite pièce. 25 10 15 30