Brevet FR2989695A1 — publié le 20131025

-1- COMPLEXE TEXTILE DE RENFORCEMENT POUR PIECES COMPOSITES ET PROCEDE DE FABRICATION Domaine technique L'invention se rattache au domaine des textiles techniques, et plus particulièrement des textiles destinés à servir d'armatures de renforcement pour les pièces composites. Elle vise plus spécifiquement des complexes de haute performance, c'est-à- dire intégrant des fils de haute ténacité tel que du verre, du carbone ou analogue. Elle concerne plus particulièrement des agencements permettant d'augmenter la résistance des pièces composites obtenue à partir de ce renfort, à des phénomènes de compression après impact. Techniques antérieures De façon générale, dans le domaine des pièces composites, il est connu d'utiliser des armatures textiles de renforcement qui sont formées d'un complexe textile comportant une ou plusieurs couches. Ces couches possèdent des fils orientés dans les directions pour lesquelles on souhaite renforcer les propriétés mécaniques de la pièce composite. De manière générale, lorsque l'on souhaite avoir un renforcement isotrope ou quasi isotrope, on emploie des complexes qui comportent plusieurs couches de renforcement avec des orientations individuelles différentes. Les couches de ce 25 complexe multiaxial sont généralement assemblées par couture ou analogue. Parmi les propriétés requises pour de tels complexes, on note la résistance à la compression après impact de la pièce composite, qui est donc mesurée après que le complexe ait été imprégné avec la résine bloquant les fils de haute ténacité. Pour 30 améliorer cette résistance à la compression après impact, il est connu d'interposer entre les différentes couches de fils de haute ténacité, des voiles de fibres -2- synthétiques qui se déforment lors des impacts exercés sur la pièce composite. Le choix de ce voile de fibres synthétiques est essentiel pour conserver des propriétés satisfaisantes au niveau de la pièce composite. On conçoit qu'une forte densité et/ou une forte épaisseur du voile intercalé entre les couches de renfort permet d'augmenter la résistance à la compression après impact, puisque l'énergie reçue lors d'un impact se dissipe à l'intérieur de la matière du voile. A l'inverse, ce voile doit être le plus perméable possible, pour ne pas s'opposer au fluage de la résine, et en particulier ne doit pas gêner le passage de la résine d'une couche à l'autre du renfort. Ce facteur, tout comme le poids du voile pousse au contraire au choix d'un voile le plus fin et le plus léger possible. Le choix d'un voile fin se traduit également par une diminution des risques de délamination entre couches. La diminution de l'épaisseur ou du poids du voile conduit inévitablement à des difficultés de manipulation du voile, ainsi qu'à des problèmes de fabrication, puisque l'on conçoit qu'il est délicat de fabriquer un voile donc la densité est très faible, puisque cela oblige à employer des filaments de titre très faible, ou à avoir des jonctions entre filaments qui sont en trop faible nombre. Il existe donc un besoin de remplacer les voiles existants par des couches dont la densité est inférieure à celle observée avec les voiles employés à ce jour. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un complexe textile de renforcement pour pièces composites, comportant au moins une couche de fils de haute ténacité formée d'une nappe de fils parallèles dans une configuration rectiligne sans embuvage.30 -3- Conformément à l'invention, ce complexe se caractérise en ce qu'il comporte au moins une couche de fils synthétiques au contact de la couche de fils de haute ténacité. Ces fils synthétiques sont disposées parallèlement et rectilignes sans liaison mécanique entre eux. Autrement dit, l'invention consiste à remplacer les voiles existants par des couches formées de nappes de fils déposées sur la couche de fils de haute ténacité, qui sont dans une configuration connue sous l'abréviation NCF pour « Non Crimped Fabrics », dans lequel les fils de haute ténacité sont disposés sans ondulation dans leur direction longitudinale. En d'autres termes, les couches de fils de haute ténacité sont recouvertes d'un ensemble de fils parallèles dont l'écartement ainsi que les propriétés peuvent être choisis pour donner des performances nettement supérieures à celles observées 15 avec des voiles bidimensionnels, en particulier en termes de densité. Par ailleurs, l'emploi de la nappe de fils synthétiques peut s'appliquer en combinaison avec une seule ou plusieurs couches de fils de renfort. Dans le cas d'une couche de renfort unique, la couche de fils synthétiques se retrouve à la 20 surface du complexe. L'invention peut également s'appliquer à des complexes incluant plusieurs couches de fils de haute ténacité superposées entre lesquelles sont interposées une ou plusieurs couches de fils synthétiques. Dans ce cas, il peut être avantageux que 25 les orientations des couches des fils de haute ténacité soient différentes d'une couche à l'autre, de manière à former un renfort multiaxial. En pratique, les fils synthétiques peuvent être choisis dans le groupe comprenant les fils de polyester, de polyamide, de phénoxy, de polypropylène, de 30 polyéthylène, pris seuls ou en combinaison. Il peut également s'agir de fils multi- -4- composants, constitués de plusieurs matériaux, par exemple en ce qui concerne l'âme et la gaine des fils. En pratique, la couche de fils synthétiques peut présenter une masse 5 surfacique comprise entre 0,5 et 20 g/m2, c'est-à-dire une densité nettement inférieure à celle que l'on peut obtenir avec des voiles de fibres, à conditions économiques équivalentes. En pratique, ces fils synthétiques peuvent être à base d'un matériau 10 thermofusible, qui peut subir une opération de calandrage ou plus généralement de chauffage associé à une application d'une pression, ce qui permet de réaliser des complexes de renfort exempts de fils de liage ou de couture. Selon différentes variantes, il est possible d'utiliser les fils synthétiques qui 15 sont des fils texturés, permettant de donner une certaine épaisseur à la couche interposée entre les couches de renfort, du fait du gonflant des fils utilisés ainsi qu'une certaine capacité à se déformer. Il est également possible d'utiliser des fibres synthétiques constituées de 20 monofilaments, qui du fait de l'incompressibilité de ces monofilaments, permet de former des espaces à l'intérieur duquel la résine peut plus facilement fluer lors de son infusion ou son injection. En pratique, il est possible d'utiliser plusieurs couches de fils synthétiques 25 directement superposées avec des orientations de fils différentes d'une couche à l'autre. Une telle combinaison permet d'améliorer l'épaisseur interposée entre couches de renfort, et joue favorablement en ce qui concerne le fluage de la résine Il est également possible de cette manière de combiner des couches de fils 30 synthétiques de nature différente. L'emploi de plusieurs couches de fils synthétiques superposées permet également de diminuer la densité de fils -5- synthétiques de chacune des couches, tout en conservant des propriétés globales satisfaisantes, et en particulier une bonne adhésion lorsqu'on utilise des fils synthétiques thermofusibles L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un complexe textile de renforcement aux pièces composites, dans lequel : ^ on dépose au moins une couche de fils de haute ténacité parallèlement, et préférentiellement dans une configuration rectiligne sans embuvage ; ^ on dépose au contact d'une de ces couches de fils de haute ténacité, une couche de fils synthétiques, ces fils synthétiques étant déposés sous forme de nappe de fils parallèles. Préférentiellement, les fils synthétiques sont déposés selon une orientation 15 formant un angle non nul avec l'orientation des fils de la couche de haute ténacité sur laquelle ces fils sont déposés. Dans une forme particulière de réalisation, on peut faire subir à l'ensemble formé des couches de haute ténacité et des couches de fils synthétiques une étape 20 d'exposition à une source de chaleur et d'application d'une pression, comme par exemple par calandrage, pour obtenir un complexe sans fils de liage ou de couture. Description sommaire des figures 25 La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : - les figures 1 à 4 sont des vues en perspective sommaire de complexes textiles selon quatre modes de réalisation différents, dans lesquels certaines des 30 couches ont été partiellement supprimées pour laisser apparaître les couches sous-jacentes ; -6- - la figure 5 est une vue en perspective sommaire schématique d'une machine permettant de réaliser l'invention. Bien entendu, les dimensions et les proportions des différents éléments 5 constituant le complexe de l'invention sont données à titre indicatif afin de permettre de comprendre l'invention, de différer de la réalité. Manière de réaliser l'invention 10 Comme déjà évoqué, l'invention peut être réalisée de différentes manières, en respectant le principe général de la mise en place d'une couche de fils synthétiques parallèles, venant au contact d'une couche de fils de renfort. Ainsi, comme illustré à la figure 1, le renfort 1 comporte une première couche 2 15 réalisée à partir de fils de carbone, présentant un nombre de filaments de 12K à 50K, ayant subi une opération d'étalement tel qu'un fil unitaire (3) présente une largeur de l'ordre de quelques millimètres à quelques centaines de millimètres. Les fils de carbones employés peuvent présenter différents niveau de ténacité, ayant des modules d'Young plus ou moins élevé, en fonction des applications. Ces fils 20 (3) sont disposés parallèlement et de façon jointive sans présenter d'embuvage c'est-à-dire sans ondulations autour du plan principal de la couche (2). Cette nappe de fils de carbone présente une masse surfacique globale de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de g/m2, typiquement de 30 g/m2 à 300 g/m2. 25 Complémentairement, cette couche de renfort (2) reçoit une couche supplémentaire (4), formée par une nappe de fils synthétiques (5) parallèles. La nature, la densité et l'angle fait par ces fils peuvent varier en fonction des applications. Ainsi, il est possible d'espacer à volonté ces fils, de manière à former une couche ajourée et d'autant plus légère. 30 -7- Dans l'exemple illustré la figure 1, les fils (5) forment un angle a de 45° par rapport à l'axe (6) correspondant à la direction des fils (3) de la couche de renfort (2), mais cet angle peut bien entendu varier en fonction des applications. Il est ainsi possible de prévoir que les fils (5) soient disposés perpendiculairement aux fils (3) de chaîne (2) avec un angle a de 90°. Il est à noter que cet angle, combiné au nombre de fils par unité de longueur, permet de régler la densité de la nappe (4), qu'il est intéressant de réduire, autant que faire se peut, pour ne pas modifier la perméabilité du complexe (1) vis-à-vis de la résine. On cherchera toutefois à déposer une quantité suffisante de fils pour que la résistance à la compression après impact soit suffisante. A titre d'exemple, on peut utiliser des fils de polyester et de polyamide ou de phénoxy qui présentent un titre compris entre 11 et 167 dtex qui sont déposés par 15 un trameur à proportion de 2 à 10 fils par cm, permettant d'obtenir des densités pour la nappe (4) de l'ordre de quelques g/m2. Le choix du matériau des fibres (5) est essentiellement déterminé par la nature chimique de la résine qui imprégnera les fils de renfort. 20 Dans l'exemple particulier de la figure 1, le complexe se réduit en termes de renfort à une seule couche de fils parallèle et la nappe de fils (4) peut avantageusement être utilisée comme moyen de solidarisation des fils de renfort entre eux, et s'affranchir de moyens conventionnels tels qu'un fil de couture 25 supplémentaire. Dans ce cas, on fera subir à l'ensemble illustré à la figure 1 une opération de calandrage par laquelle la matière des fils (5) est portée à une température supérieure à sa température de ramollissement. L'application d'une pression permet de faire pénétrer une partie de ces fils (5) sur la surface des fils de renfort et en assurant ainsi le blocage relatif Bien entendu, il est également 30 possible d'assurer la solidarisation de la nappe de fils synthétiques (4) à la couche -8- de fils de renfort (2) par des moyens traditionnels, en particulier par un mécanisme de couture ou tricotage classique. Dans l'exemple illustré à la figure 2, le renfort (21) comporte, tout comme pour 5 celui de la figure 1, une couche de renfort (22) composée de fils parallèles (23), ainsi qu'une couche de fils synthétique (24). Ce complexe 21 comporte également une couche supplémentaire (32) reconstituée de fils de renfort (33), disposés selon une orientation différente de celle de la nappe (22). Bien entendu, les directions relatives des deux nappes de fils de renfort (22) (32) peuvent varier en fonction des 10 applications, et aller de quelques degrés à 90°, comme illustré sur la figure. De même, la nature des fils des deux couches de renfort peut être différente, en fonction des propriétés que l'on souhaite obtenir. Ces deux couches de renfort (22) (32) peuvent ainsi avoir des propriétés similaires en termes de natures de fils et de 15 densité. Elles peuvent également être différentes en employant des fils de natures différentes, ou de densités distinctes. On conçoit également que l'empilement tel qu'illustré à la figure 2 peut se décliner en augmentant le nombre de couches, et en prévoyant autant de couches de fils de 20 renfort que nécessaire, séparées chacune par une couche de fils synthétiques. Ainsi, comme illustré à la figure 3, le complexe de renfort (51) comporte une couche (52) de fils de renfort sur laquelle repose une couche (54) de fils synthétiques. Par-dessus, une couche de fils de renfort (62) dans une orientation différente de celle des fils des couches (52) est déposée. Cette couche (62) reçoit 25 une couche (64) de fils synthétiques sur laquelle est déposée une autre couche de fils de renfort (72), avec une troisième orientation différente de celle des couches de fils de renfort sous-jacente (62) (52). Bien entendu, le choix du nombre de couches et leur orientation peut se décliner de façon très large en fonction des applications. 30 -9- Dans la variante illustrée à la figure 4, la couche de renfort (82) reçoit deux nappes de fils synthétiques (84) (87) qui sont directement en contact l'une de l'autre. Les deux nappes (84) (87) peuvent être réalisées à partir de fils de nature différente pour combiner plusieurs propriétés. Il est ainsi possible d'utiliser une première nappe formée de fils thermofusibles qui permettront la solidarisation des couches entre elles après calandrage, avec une autre nappe dont les fils auront été choisis pour améliorer la résistance à la compression après impact. Avantageusement, les orientations a et (3 des fils des couches (84) (87) peuvent être différentes. De cette manière, les propriétés mécaniques du complexe peuvent s'apparenter à celles obtenues en employant des structures de grille entre les couches de renfort(82) (92). Bien entendu, l'invention couvre également les variantes dans lesquelles le nombre de couches de fils synthétiques est encore supérieur et leur nombre en nature serait bien entendu adapté aux applications. A titre d'exemple, les renforts illustrés aux figures 1 à 4 peuvent être réalisés sur une machine telle qu'illustrée à la figure 5. Une telle machine (100) comporte plusieurs postes distincts. Ainsi, un premier poste d'entrée (101) comporte un cantre (102) à partir duquel les fils (104) sont dévidés de bobines ou galettes (103) pour former les fils de chaine. Ce poste (101) délivre donc les fils d'une des couches de renfort à une bande transporteuse (108). Au niveau d'un second poste (110), un cantre (111) permet la délivrance de fils synthétiques (114), à partir de bobines (113). Ces fils (114) sont passés dans un trameur (115), qui comporte un mécanisme approprié pour permettre le dépôt d'une nappe de fil d'une largeur prédéterminée sur l'entière largeur de la bande transporteuse (108). Différentes solutions techniques peuvent être employées de façon équivalente, dès lors qu'elles permettent de réaliser le dépôt des fils synthétiques (114). Il est ainsi possible d'utiliser un trameur qui emploie un mécanisme de pinces pour permettre le dépôt de nappes de fils coupés ou encore des mécanismes utilisant des ergots en bord de nappes de fils de chaine pour maintenir les différents fils synthétiques qui restent alors continus. -10- Bien entendu, le poste de dépôt de fils (110) peut être adapté pour régler l'inclinaison des fils synthétiques (114) par rapport à la direction chaine. De même, le poste 110 peut être dupliqué autant de fois que l'on souhaite superposer des nappes de fils synthétiques entre deux couches de renfort. Dans un troisième poste (120) un cantre (121) permet le dépôt de fils de renfort (124) selon une direction différente de la direction d'avancement de la bande transporteuse, et qui dans la forme illustrée est sensiblement perpendiculaire. Bien entendu, la direction des fils de renfort (124) peut être réglée en fonction du type de renfort que l'on souhaite réaliser et de son caractère multiaxial. Dans la forme illustrée, seule une seconde couche de fils de renfort est déposée mais il est bien évident que la machine peut être modifiée à souhait pour déposer autant de couches de renfort et de couches de fils synthétiques que nécessaire. Dans la forme illustrée à la figure 5, la machine (100) comporte un poste d'assemblage (140), qui comporte des moyens de chauffage (141) qui peuvent être constitués par exemple par une rampe chauffante, permettant d'élever la température de l'ensemble des couches circulant sur la bande transporteuse, et de ramollir, en particulier, les fils synthétiques. Le poste de calandrage comporte également des moyens pour appliquer une pression et en particulier des rouleaux presseurs (142) (143) qui permettent de déformer les fils synthétiques préalablement chauffés. Il est bien évident que les moyens de chauffage peuvent être intégrés aux rouleaux presseurs (142) (143). Dans une variante, non illustrée, le poste de calandrage (140) peut être remplacé par un poste de couture traditionnel, avec si nécessaire une modification de l'empilement des couches pour tenir compte du type de couture. Plus particulièrement, dans ce cas, les fils dans la direction chaine ou à 0° sont introduits en dernier poste, avant couture. -11- Il ressort de ce qui précède que le complexe de renfort conforme à l'invention présente de multiples avantages, en particulier celui de permettre une amélioration de la résistance à la compression après impact avec une très faible quantité de matière synthétique, à comparer avec les solutions existantes utilisant des voiles de fibres. Il permet également de s'affranchir dans certains cas d'un fil de couture qui peut s'avérer préjudiciable dans certaines applications REVENDICATIONS1/ Complexe textile de renforcement (1) pour pièces composites, comportant au moins une couche (2) de fils de haute ténacité formée d'une nappe de fils (3) 5 parallèles dans une configuration rectiligne sans embuvage, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche (4) de fils synthétiques (5), au contact de la couche (2) de fils de haute ténacité, lesdits fils synthétiques (5) étant disposés parallèlement et rectilignes, sans liaison mécanique entre eux. 10 2/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'orientation des fils (5) de la couche synthétique forme un angle (a) non nul avec l'orientation des fils (3) de la couche (2) de fils de haute ténacité au contact de laquelle viennent les fils synthétiques. 15 3/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils de haute ténacité sont choisis dans le groupe comprenant les fils de carbone, les fils de verre, les fils de basalte, les fils d'aramide, les fils à base de fibres naturelles et en particulier de lin, pris isolément ou en combinaison. 20 4/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche de fils synthétiques est composée de fils de nature différente. 5/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche de fils de haute ténacité présente une masse surfacique comprise entre 30 g/m2 et 600 g/m2. 25 6/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couches (22,32) de fils de haute ténacité superposées, entre lesquelles est interposée au moins une couche (24) de fils synthétiques.-13- 7/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les orientations des fils des couches (22,32) de fils de haute ténacité sont différentes d'une couche à 1' autre. 8/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils synthétiques sont choisis dans le groupe comprenant les fils de polyester, de polyamide, de phénoxy, de polypropylène, de polyéthylène, pris seul ou en combinaison. 9/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche de fils 10 synthétiques présente une masse surfacique comprise entre 1 et 20 g/m2. 10/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils synthétiques sont à base d'un matériau thermofusible. 15 11/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est exempt de fils de liage ou de couture. 12/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils synthétiques sont des fils texturés. 20 13/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils synthétiques sont des monofilaments. 14/ Complexe selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs 25 couches (84,87) de fils synthétiques directement superposées, les orientations des fils synthétiques desdites couches étant différentes d'une couche à l'autre.-14- 15/ Procédé de fabrication d'un complexe textile de renforcement pour pièces composites, dans lequel : ^ on dépose au moins une couche de fils (103) de haute ténacité parallèlement et dans une configuration rectiligne sans embuvage ; ^ on dépose au contact de l'une desdites couches de fils de haute ténacité une couche de fils synthétiques (115), lesdits fils synthétiques étant déposés sous forme de nappes de fils parallèles. 16/ Procédé selon la revendication 15 dans lequel les fils synthétiques (115) sont 10 déposés selon une orientation formant un angle non nul avec l'orientation des fils (103) de la couche de fils de haute ténacité sur laquelle ils sont déposés. 17/ Procédé selon la revendication 15 dans lequel on fait subir à l'ensemble formé les couches de haute ténacité et des couches de fils synthétiques une étape 15 d'exposition à une source de chaleur et d'application d'une pression.