Brevet FR2983429A1 — publié le 20130607

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. 5 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 de 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. 10 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 15 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 20 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. bans les deux cas, la vessie 16 utilisée est en un matériau souple qui permet de transmettre les efforts de compression en raison de la différence de pression de part et d'autre de la vessie. Compte tenu de sa souplesse, la vessie peut onduler, se plisser ou se froisser et suivre les mouvements de la dernière couche 25 de fibres. 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 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 de forme convexe les unes sur les autres et une étape de polymérisation en recouvrant les couches de fibres d'une vessie, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer entre la vessie et la dernière couche rapportée au moins un conformateur recouvrant au moins un rayon de courbure et dont au moins un bord est décalé par rapport audit rayon de courbure, ledit conformateur étant apte à suivre la déformation géométrique des couches empilées lorsque la vessie les comprime, tout en restant plaqué contre la dernière couche rapportée, de manière à obtenir un mouvement tangentiel dudit conformateur qui tend à maintenir tendues les couches de fibres au niveau du rayon de courbure. 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, - La figure 4 est un schéma illustrant un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une pièce comportant un empilage de couches de fibres selon l'invention, et - Les figures 5A et 5B sont des schémas illustrant le dispositif de l'invention respectivement avant et après le défoisonnement des couches de fibres. Sur la figure 4, 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. Pour la suite de la description, la direction longitudinale correspond à la direction de la plus grande dimension de la pièce. Un plan transversal est perpendiculaire à la direction longitudinale. 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 dont l'axe est parallèle à la direction longitudinale. Par rayon de courbure réduit, on entend un rayon au niveau duquel les fibres peuvent onduler lors de la polymérisation en raison du défoisonnement. L'outillage 22 n'est pas plus décrit car il varie en fonction de la pièce à réaliser. 5 be 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. 10 Pour la suite de la description, la pièce 20 est constituée de n couches de fibres, n'étant un entier supérieur à 1, la couche en contact avec l'outillage étant la couche 1, la couche rapportée sur la couche 1 étant la couche 2, ainsi de suite jusqu'à la dernière couche rapportée qui est la couche n. Les couches 24 de fibres sont rapportées sur l'outillage 22 soit manuellement 15 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. 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 20 réduction de longueur AL = 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. bans la mesure où le rapport de longueur AL/L est inversement proportionnel au rayon de courbure et que le risque d'ondulation de la fibre est proportionnel au rapport de longueur AL/L, le risque d'ondulation est 25 d'autant plus important que le rayon de courbure est réduit. Pour limiter ce risque d'ondulation, le procédé de l'invention consiste à disposer au-dessus de la dernière couche rapportée, au moins un conformateur 26 auto-adaptatif, apte à suivre la déformation géométrique des couches 24 empilées en raison d'un phénomène de défoisonnement lors de la polymérisation sans onduler, se plisser ou se froisser. Un conformateur 26 comprend une bande de matière qui recouvre au moins un rayon de courbure et dont les bords 27 sont disposés de part et d'autre dudit 5 rayon. Selon un mode de réalisation, cette bande de matière est sensiblement rectangulaire. Après la mise en place du ou des conformateurs 26, l'ensemble est recouvert d'une vessie 28. Les couches 24 sont alors soumises à une élévation de température et à un effort de compression résultant de la différence de 10 pression de part et d'autre de la vessie 28. Selon l'invention, un conformateur 26 doit être suffisamment souple pour s'adapter sans effort particulier à la surface externe de la dernière couche empilée. Il doit être suffisamment épais afin qu'il ne puisse pas onduler ou se plisser selon deux rayons de courbure opposés sur une longueur donnée. Enfin, le 15 conformateur 26 doit être quasi incompressible selon la direction correspondant à son épaisseur de manière à transmettre les efforts de compression. De préférence, le conformateur 26 est réalisé en un matériau ayant une dureté Shore A comprise entre 5 et 20. Selon une caractéristique de l'invention, le ou les conformateurs sont rapportés 20 sur la dernière couche n de la pièce à réaliser avant sa polymérisation. Ainsi selon l'invention, il n'est pas nécessaire de procéder à des compactages intermédiaires des couches ce qui se traduit par des gains de productivité. Ainsi, selon un mode opératoire privilégié, les n couches de la pièce à réaliser sont empilées sur l'outillage 22, au moins un conformateur 26 est placé sur la 25 dernière couche rapportée et recouvre au moins une zone avec un rayon de courbure. Une vessie 28 recouvre l'ensemble et ses bords sont reliés à l'outillage de manière étanche. On génère alors une différence de pression de part et d'autre de la vessie 28, notamment en aspirant l'air présent sous la vessie, puis le cycle de polymérisation est appliqué. Lors de cette phase de polymérisation, le défoisonnement de la matière s'opère. Après le cycle de polymérisation, la pièce est refroidie puis démoulée. Le cycle de polymérisation, le refroidissement et le démoulage ne sont pas plus 5 décrits car ils sont connus de l'homme du métier. En variante, il est possible de procéder à des compactages intermédiaires. bans ce cas, au moins un conformateur 26 est placé sur la dernière couche rapportée et recouvre au moins une zone avec un rayon de courbure. Une vessie 28 recouvre l'ensemble et ses bords sont reliés à l'outillage de manière étanche. En 10 suivant, on génère une différence de pression de part et d'autre de la vessie de manière à obtenir un effort de compression sur les couches de fibres empilées. Avantageusement, les couches sont soumises à une élévation de température, inférieure à la température de polymérisation. Comme illustré en détails sur les figures 5A et 5B, la surface intérieure du 15 conformateur 26 est en contact direct avec la surface extérieure de la dernière couche rapportée. Lors de la phase de défoisonnement, les couches vont se comprimer progressivement si bien que la surface extérieure de la dernière couche va se rapprocher progressivement de l'outillage. Le conformateur 26, maintenu en 20 contact contre la dernière couche, va suivre cette déformation si bien qu'en raison de ses caractéristiques (notamment dimensionnelles et du matériau le constituant) mentionnées plus haut, au moins un des bords du conformateur va avoir tendance à s'écarter et à s'éloigner du rayon de courbure en suivant un mouvement tangentiel, comme matérialisé par les flèches 30 sur la figure 5B. 25 Lorsque le conformateur 26 recouvre un seul rayon de courbure, ses deux bords sont disposés de part et d'autre du rayon de courbure et tendent à s'écarter dudit rayon de courbure lors de la polymérisation. Lorsque le conformateur 26 recouvre deux rayons de courbure comme illustré su la figure 4, pour chaque rayon de courbure au moins un de ses bords 27 tend à s'écarter dudit rayon. Ainsi, lors de la polymérisation, en raison du défoisonnement des couches de fibres, le conformateur 26 va suivre un mouvement tangentiel. Les fibres de la dernière couche, en contact avec le conformateur 26, vont alors suivre son mouvement tangentiel si bien qu'elles vont avoir tendance à s'étirer de part et d'autre du rayon de courbure et à ne pas onduler ou se plisser au niveau du rayon de courbure. Ce phénomène d'entrainement des fibres de la dernière couche par le conformateur 26 va également apparaitre au niveau des fibres de l'avant dernière couche qui vont être entrainées par les fibres de la dernière couche. Ce phénomène va ainsi se dupliquer de couche en couche jusqu'à la première couche déposée. Ainsi, grâce au(x) conformateur(s), toutes les couches vont rester tendues au niveau du rayon de courbure. Selon les variantes, pour un même outillage, on peut prévoir plusieurs conformateurs 26, un pour chaque portion avec un faible rayon de courbure ou un seul conformateur qui s'étend sur plusieurs portions avec chacune un faible rayon de courbure comme illustré sur la figure 4. Le conformateur 26 peut avoir une épaisseur constante ou non uniforme. Selon les cas, le conformateur peut au repos être plan ou être préformé et avoir une surface concave complémentaire à la forme convexe de la pièce 20. Selon un mode de réalisation, un conformateur 26 comprend une feuille de silicone, notamment en un matériau commercialisé sous la marque « mosite », et a une épaisseur comprise entre 3 et 8 mm. Un tel conformateur est suffisamment souple pour s'appliquer sur la dernière couche rapportée et rester en tous points en contact avec la surface extérieure de ladite couche. Cependant, lors de la déformation des couches en raison du défoisonnement, il n'ondule pas mais glisse ce qui tend à maintenir les couches tendues. Enfin, sa déformation selon une direction normale à la surface extérieure de la dernière couche rapportée est quasi nulle ce qui permet d'assurer la transmission des efforts de compression en direction des couches de fibres 24.5 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 une étape de polymérisation en recouvrant les couches (24) de fibres d'une vessie (28), caractérisé en ce qu'il consiste à disposer entre la vessie (28) et la dernière couche rapportée au moins un conformateur (26) recouvrant au moins un rayon de courbure et dont au moins un bord (27) est décalé par rapport audit rayon de courbure, ledit conformateur (26) étant apte à suivre la déformation géométrique des couches (24) empilées lorsque la vessie (28) les comprime, tout en restant plaqué contre la dernière couche rapportée, de manière à obtenir un mouvement tangentiel dudit conformateur qui tend à maintenir tendues les couches de fibres au niveau du rayon de courbure. 2. Procédé de réalisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conformateur (26) est disposé au-dessus de la dernière couche (24) de fibres formant la pièce à réaliser lors de la polymérisation. 3. Procédé de réalisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le conformateur (26) est une bande de matière avec une épaisseur comprise entre 3 et 8 mm. 4. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le conformateur (26) est réalisé en un matériau ayant une dureté Shore A comprise entre 5 et 20 5. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conformateur (26) est une bande de silicone. 6. Procédé de réalisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que en le conformateur (26) est une bande en un matériau commercialisé sous la marque « mosite ». 7. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce qu' au repos le conformateur (26) est préformé et a une surface concave complémentaire à la forme de la pièce à réaliser.