Brevet FR2972675A1 — publié le 20120921

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE COMPORTANT AU MOINS UN RAYON DE COURBURE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comportant au moins un rayon de courbure, comme par exemple une cornière ou un raidisseur avec une section en U. Sur les figures 1A et 1B, on a représenté un raidisseur 10 avec une section en U. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, ce raidisseur 10 peut être obtenu en empilant sur un outillage 12 de forme convexe des couches 14 fibres pré-imprégnées de résine. Les couches 14 de fibres peuvent être déposées à l'aide d'une machine de drapage, suivant des orientations des fibres prédéterminées. Après la dépose des couches de fibres, l'ensemble recouvert en autre d'une vessie est introduit dans un autoclave et soumis à un cycle de température et de pression de manière à obtenir la polymérisation du raidisseur 10. Lors de cette étape de polymérisation, la pression extérieure à la vessie peut atteindre de l'ordre de 7 à 10 bars. Cette pression a pour effet de provoquer un défoisonnement visant à chasser l'air emprisonné entre les couches et autour des fibres lors de la polymérisation. A titre indicatif, le défoisonnement engendre une réduction de l'épaisseur de la pièce correspondant à approximativement 12 à 15% de son épaisseur. Lorsque la pièce est supportée par un outillage de forme convexe, le défoisonnement génère un excès de longueur de fibres, plus particulièrement au niveau des zones présentant un faible rayon de courbure. En raison de cet excès de longueur de fibres, après polymérisation, on obtient au niveau des zones présentant un faible rayon de courbure des ondulations de fibres qui tendent à réduire notamment les caractéristiques mécaniques de la pièce. Par conséquent pour limiter la dégradation des caractéristiques mécaniques ou d'autres caractéristiques de la pièce, on réalise des compactages des couches 14 5 de fibres lors de la phase de drapage. Selon un premier mode opératoire illustré sur la figure 2A et appelé compactage sous vide, on recouvre les couches 14 de fibres déposées sur l'outillage 12 avec une vessie 16 et on applique un vide d'air sous la vessie. Cette opération est renouvelée périodiquement lors de phase de drapage, toutes les 5 à 10 couches 10 déposées. Ce mode opératoire permet d'obtenir un défoisonnement avec une surépaisseur avant polymérisation correspondant à approximativement 8% de l'épaisseur de la pièce qui n'est pas optimal. Selon un autre mode opératoire illustré sur la figure 2B et appelé compactage sous vide avec chauffage, on réalise un compactage sous vide comme 15 précédemment décrit combiné à une élévation de température de la matière à environ 80°C grâce à des moyens de chauffage 18. Même si ce mode opératoire permet d'améliorer le compactage sous vide il n'est pas pleinement satisfaisant car le compactage sous vide avec chauffage permet d'obtenir un défoisonnement avec une surépaisseur avant polymérisation correspondant à 20 approximativement 4% de l'épaisseur de la pièce qui n'est pas optimal. Une solution pour optimiser le défoisonnement pourrait consister à augmenter la température lors du compactage. Toutefois, cette solution n'est pas envisageable car une température supérieure conduirait à une trop grande fluidité de la résine et par conséquent un essorage des zones présentant un faible rayon de courbure 25 en raison de la migration de la résine vers des zones moins comprimées. Une autre solution pour optimiser le défoisonnement pourrait consister à augmenter la fréquence des opérations de compactage sous vide avec chauffage. Toutefois, cette solution n'est pas satisfaisante car la répétition des cycles de chauffage conduit à augmenter le niveau d'enthalpie de la résine ce qui est préjudiciable lors de la polymérisation. De plus, l'augmentation de la fréquence des opérations de compactage sous vide avec chauffage conduit à réduire la productivité et à augmenter significativement les coûts de production. La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite obtenue par empilage de couches de fibres permettant d'améliorer le défoisonnement des couches de fibre lors de la phase de dépose desdites couches. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comportant au moins un rayon de courbure, comprenant une étape de dépose des couches de fibres pré- imprégnées sur un outillage les unes sur les autres et de compactage desdites couches suivie d'une étape de polymérisation, caractérisé en ce qu'on applique des efforts localisés répartis sur la zone du rayon de courbure de manière à compacter localement les couches de fibres lors de l'étape de dépose. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1A est une vue en perspective d'un exemple de pièce obtenue selon le procédé de l'invention, - La figure 1B est une coupe transversale de la pièce illustrée sur la figure 1A, - La figure 2A est un schéma illustrant un premier mode opératoire de compactage de couches de fibres selon l'art antérieur, - La figure 2B est un schéma illustrant un autre mode opératoire de compactage de couches de fibres selon l'art antérieur, - La figure 3 est une coupe illustrant les risques d'ondulations des fibres au niveau des rayons de courbure d'une pièce, - Les figures 4A à 4C sont des schémas illustrant un mode opératoire de compactage de couches de fibres selon l'invention, et - La figure 5 est un schéma illustrant un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de compactage de couches de fibres selon l'invention. Sur les figures 4A à 4C, on a illustré un outillage 22 de forme convexe sur lequel sont rapportées des couches 24 de fibres pré-imprégnées, les unes sur les autres, afin d'obtenir une pièce 20 en matériau composite après polymérisation. Selon l'exemple illustré, la pièce 20 a un profil en U selon une coupe transversale. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce profil et peut s'appliquer à d'autres pièces avec un profil présentant au moins un rayon de courbure réduit. Par rayon de courbure réduit, on entend un rayon au niveau duquel les fibres peuvent onduler lors de la polymérisation en raison du défoisonnement si les couches de fibres 24 ne sont pas compactées lors de l'opération de dépose desdites couches 24. L'outillage 22 n'est pas plus décrit car il varie en fonction de la pièce à réaliser. De plus, il est connu de l'homme du métier et peut être identique aux outillages 12 de l'art antérieur. Selon les applications, le nombre de couches de fibres, la nature des fibres et l'orientation des couches peuvent varier. Par conséquent, ces éléments ne sont pas plus décrits. Les couches 24 de fibres sont rapportées sur l'outillage 22 soit manuellement soit de manière automatisée grâce à un dispositif de drapage. Elles sont rapportées sur l'outillage 22 en prenant soin de l'orientation des fibres. Pour la suite de la description, la direction longitudinale correspond à la longueur la plus importante de la pièce. Par plan transversal, on entend un plan perpendiculaire à la direction longitudinale. Comme illustré sur la figure 3, la longueur L entre deux points distants A et B avant défoisonnement est supérieure à la longueur L' entre les deux points A' et B' correspondant respectivement aux points A et B après défoisonnement. La réduction de longueur ~L = L-L' est fonction du rayon de courbure, de la position de la fibre dans l'épaisseur de la pièce, du coefficient de défoisonnement, de l'orientation de la fibre. Dans la mesure où le rapport de longueur ~L/L est inversement proportionnel au rayon de courbure et que le risque d'ondulation de la fibre est proportionnel au rapport de longueur ~L/L, le risque d'ondulation est d'autant plus important que le rayon de courbure est réduit. Pour limiter ce risque d'ondulation, le procédé de l'invention consiste à compacter les couches de fibres en appliquant des efforts localisés répartis sur la zone du rayon de courbure sur la dernière couche posée selon une direction de préférence approximativement perpendiculaire à ladite couche, de manière à compacter localement les couches de fibres. Par effort localisé, on entend que dans un plan transversal à un instant donné les efforts sont appliqués sur une zone inférieure à la moitié de la zone du rayon de courbure. Cette solution permet d'obtenir une pression locale importante, mais de courte durée. Ainsi, la résine flue dans l'épaisseur de la pièce, en comblant les espaces vides qui se trouvent entre les couches et entre les fibres. L'effort étant localisé et court, les risques d'essorage de la zone de courbure sont limités. De préférence, on utilise au moins un appui ponctuel pour appliquer des efforts localisés. Ainsi, contrairement à une vessie qui applique une pression sur toute la surface du rayon de courbure au même moment, l'appui ponctuel exerce une pression qui ne s'étend pas sur toute la zone du rayon de courbure mais qui est répétée de manière à recouvrir ladite zone. Selon un premier mode opératoire, l'appui ponctuel peut appliquer des efforts localisés et répétés de manière à recouvrir la zone du rayon de courbure. Dans ce cas, l'appui ponctuel est animé d'un mouvement de va et vient selon une direction sensiblement perpendiculaire à la dernière couche de fibres au point de contact, combiné à d'autres mouvements permettant de décaler les points de contact entre chaque mouvement de va et vient afin de recouvrir la zone du rayon de courbure. Selon un autre mode opératoire, l'appui ponctuel peut se déplacer sur la surface de la dernière couche posée, en glissant et/ou en roulant. Dans ce cas, l'appui ponctuel reste en contact avec la dernière couche de fibres posée. Avantageusement, les couches de fibres sont chauffées grâce à des moyens de chauffage 26 à une température de l'ordre de 80°C de manière à obtenir une viscosité de la résine d'approximativement 100 Pa.s. Cette viscosité permet à la résine d'être suffisamment fluide de manière à combler tous les vides présents entre les couches et les fibres sans être trop fluide afin de limiter les risques d'essorage de la zone du rayon de courbure. Avantageusement, les couches de fibres sont recouvertes d'une vessie 28 et un vide d'air est réalisé sous la vessie de manière à conserver la déformation obtenue par les efforts localisés et éviter un éventuel espacement des couches de fibres après la disparition des efforts localisés. Selon un mode de réalisation, pour réaliser l'appui ponctuel, on peut utiliser un rouleau 30 qui se déplace selon une direction parallèle à la direction longitudinale. De préférence, l'axe de rotation 32 du rouleau est disposé dans un plan transversal. Avantageusement, le rouleau 30 réalise plusieurs passes, chaque passe étant caractérisée par une inclinaison différente du rouleau, comme illustré sur les figures 4A à 4C, de manière à réaliser différentes passes parallèles à la direction longitudinale, recouvrant la zone du rayon de courbure et de préférence dans les zones proches de part et d'autre du rayon de courbure. Selon un mode opératoire préféré, la phase de dépose des couches de fibres comprend les phases suivantes : - dépose de 5 à 10 couches de fibres sur l'outillage 22, - mise en place d'une vessie 28 et extraction de l'air présent sous la vessie, - chauffage des couches de fibres à une température de l'ordre 80° avec les moyens de chauffage 26, - application d'efforts localisés avec un appui ponctuel de manière à obtenir 1 o un défoisonnement optimal dans la zone du rayon de courbure, - refroidissement de la matière, - retrait de la vessie 28, - dépose de 5 à 10 couches suivantes et répétition de la précédente séquence. 15 Avantageusement, l'appui ponctuel est manoeuvré par une machine de dépose de couches de fibres. Selon un mode de réalisation, comme illustré sur la figure 5, on peut utiliser une machine de dépose de couches de fibres 34 comportant un bras 36 dont l'extrémité 38 peut se déplacer selon trois translations X, Y, Z correspondant 20 aux axes d'un repère orthonormé. L'outillage 22 est supporté par un mandrin 40 avec un axe de rotation 42 parallèle à la direction longitudinale de la pièce à réaliser et à la direction X. Les moyens de chauffage 26 se présentent sous la forme de lampes de type infra-rouge par exemple, disposées autour de l'outillage 22. 25 Le rouleau 30 peut être supporté par le bras de la machine de dépose 34. Dans ce cas, le rouleau 30 est monté pivotant selon un axe de rotation 32 (contenu dans un plan YZ) sur un support 46 qui peut lui-même pivoter selon un axe de rotation parallèle à l'axe X par rapport à un porte-outil 48 fixé sur le bras 36 de la machine de dépose 34. En variante, le rouleau 30 peut intégrer des moyens de chauffage. Selon d'autres modes de réalisation, le rouleau peut être remplacé par un patin 5 glissant ou par une sonotrode. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comportant au moins un rayon de courbure, comprenant une étape de dépose des couches (24) de fibres pré- imprégnées sur un outillage (22) de forme convexe les unes sur les autres et de compactage desdites couches, caractérisé en ce qu'on applique des efforts localisés répartis sur la zone du rayon de courbure de manière à compacter localement les couches (24) de fibres lors de l'étape de dépose. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches (24) de fibres sont chauffées grâce à des moyens de chauffage (26). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste, préalablement à l'application des efforts localisés, à recouvrir les couches (24) de fibres avec une vessie (28) et à extraire l'air sous ladite vessie (28). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise au moins un appui ponctuel pour appliquer les efforts localisés. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appui ponctuel se déplace sur la surface de la dernière couche posée, en glissant et/ou en roulant. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un rouleau (30) comme appui ponctuel. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser plusieurs passes avec le rouleau (30), chaque passe étant caractérisée par une inclinaison différente du rouleau de manière à réaliser différentes passes recouvrant la zone du rayon de courbure. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer plusieurs couches de fibres, à compacter les couches de fibres dé jà posées puis à déposer plusieurs couches de fibres sur les couches de fibres déjà compactées. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une machine de dépose de couches de fibres pour manoeuvrer un appui ponctuel et exercer des efforts localisés. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une machine de dépose de couches de fibres (34) comportant un bras (36) dont l'extrémité (38) peut se déplacer selon trois translations (X, Y, Z), un mandrin (40) avec un axe de rotation (42) supportant un outillage (22) sur lequel sont déposées les couches de fibres et un rouleau (30) monté pivotant selon un axe de rotation (32) sur un support (46) qui peut lui-même pivoter selon un axe de rotation par rapport à un porte-outil (48) fixé sur le bras (36) de la machine de dépose (34).