Brevet FR3009515A1 — publié le 20150213

Structure composite thermoformée et son procédé de fabrication La présente invention concerne une structure composite renforcée comprenant au moins une plaque supérieure et une plaque inférieure, la plaque supérieure étant réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique et des fibres continues, la plaque inférieure étant réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique et des fibres continues, une partie de la plaque supérieure étant fixée sur une partie de la plaque inférieure par thermocompression. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle structure composite renforcée. L'invention s'applique en particulier dans l'industrie automobile, dans la fabrication des pièces composites obtenues par thermocompression de deux plaques réalisées en un matériau composite comprenant une matrice en résine thermoplastique et des fibres continues. Or, si les plaques renforcées de fibres de verre utilisées sont chacune mécaniquement résistantes, l'association par thermocompression de deux telles plaques conduit à la fabrication d'une structure composite présentant une résistance mécanique équivalente uniquement à celle de la résine thermoplastique. Effectivement, lors de l'étape de thermocompression, les résines des deux plaques ne fusionnent qu'en surface car les matériaux utilisés ne sont pas prévus pour fluer d'une plaque à l'autre par atteinte d'une fluidité suffisante. Ainsi, une telle structure n'est pas appropriée pour supporter de fortes contraintes. L'invention vise ainsi à proposer une structure composite utilisant les mêmes matériaux et dont la résistance mécanique de l'assemblage est augmentée. A cet effet, l'invention a pour objet une structure composite renforcée du type précité dans laquelle la structure composite comprend au moins une zone dans laquelle la plaque supérieure est partiellement enchâssée dans la plaque inférieure. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la structure composite comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la structure composite renforcée comprend au moins un renfoncement comportant une portion de la plaque supérieure et une portion associée de la plaque inférieure compressées ensembles, ladite portion associée de la plaque inférieure étant en regard de ladite portion de la plaque supérieure ; - la structure composite renforcée comprend au moins un rivet inséré dans le renfoncement ; - les fibres continues de la plaque supérieure sont partiellement insérées dans la matrice thermoplastique de la plaque inférieure ; - les fibres continues de la plaque inférieure sont partiellement insérées dans la matrice thermoplastique de la plaque supérieure ; et - les fibres continues des plaques supérieure et inférieure sont des tissés de fibres de verre. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une structure composite renforcée, telle que définie ci-dessus, le procédé comportant l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : . fourniture de d'une plaque supérieure et d'une plaque inférieure, les deux plaques supérieure et inférieure étant réalisées en des matériaux composites thermoplastiques à fibres continues, . thermocompression d'une partie de la plaque supérieure sur une partie de la plaque inférieure, l'ensemble formant la structure composite, . renforcement de la structure composite, . l'étape de thermocompression et l'étape de renforcement sont réalisées en même temps ; - au cours de l'étape de thermocompression, une partie des fibres de la plaque supérieure, respectivement inférieure, sont aiguilletées dans une partie de la plaque inférieure, respectivement supérieure ; - l'étape de thermocompression comprend les étapes suivantes : . chauffage des plaques supérieure et inférieure par rayonnement ou air chaud . positionnement de la plaque supérieure au-dessus de la plaque inférieure, les deux plaques étant positionnées entre un moule et un contre-moule comprenant au moins un poinçon de renfoncement, . moulage par enfoncement du contre-moule à l'intérieur du moule. - le procédé de fabrication comprend une étape de rivetage des plaques supérieure et inférieure dans laquelle un rivet est inséré dans le renfoncement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une première structure composite selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe d'une variante de la première structure composite selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe d'une deuxième structure composite selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe d'une troisième structure composite selon l'invention, - les figures 5 à 8 sont des vues schématiques en coupe des étapes du procédé de fabrication d'une structure composite selon l'invention, - les figures 9 et 10 sont des vues schématiques en coupe des étapes du procédé de fabrication selon une variante de l'invention, et - la figure 11 est une vue du dessus de la structure composite selon l'invention. Une première structure composite renforcée 2 est illustrée par les figures 1 et 2. La structure composite 2 est destinée à être utilisée dans la fabrication de pièces automobiles comportant des liaisons entre deux plaques réalisées en matériaux composites. La structure composite 2 comprend une plaque supérieure 4 thermocompressée sur une plaque inférieure 5, c'est-à-dire fixée à celle-ci au moins par thermocompression. La structure composite 2 se divise en une première zone I appelée renfoncement, comprise entre un premier plan A et un deuxième plan B, le plan B étant parallèle au plan A, et une seconde zone II située à l'extérieur des plans A et B. Dans le renfoncement I, la somme des densités des plaques supérieure 4 et inférieure 5 est plus élevée que la somme des densités des plaques supérieure 4 et inférieure 5 situées dans la seconde zone II. Autrement dit, dans le renfoncement I, la plaque supérieure 4 est enchâssée dans la plaque inférieure 5. Par « enchâssé », on doit comprendre que la plaque supérieure 4 est mise en forme de façon à ce qu'elle soit partiellement dans la plaque inférieure 5. Dans ce cas, l'enchâssement de la plaque supérieure 4 dans la plaque inférieure 5 entraîne une augmentation locale de la densité de l'ensemble. La plaque supérieure 4 est réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique 8 et un renfort 10 de fibres continues. Par exemple la matrice 8 est une résine thermoplastique et le renfort 10 est un tissé en fibres de verre noyé dans la matrice. La plaque inférieure 5 est réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique 12 et un renfort 14 en fibres continues. Par exemple la matrice 12 est la même résine thermoplastique que celle utilisée pour la plaque supérieure 4 et le renfort 14 est un tissé en fibres de verre. La plaque inférieure 5 est fixée sous la plaque supérieure 4 par thermocompression des deux plaques l'une au-dessus de l'autre. Ce procédé crée une interface 16 comportant un mélange des résines 8 et 12. Une deuxième structure 202 selon l'invention est représentée sur la figure 3. Tout comme la structure composite 2, la structure composite 202 comprend une plaque supérieure 204 réalisée en un matériau composite comprenant une résine thermoplastique et des fibres continues, fixée sur une plaque inférieure 205 réalisée en un matériau composite comprenant une résine thermoplastique et des fibres continues. En particulier, la structure composite 204 se divise en une première zone l' appelée renfoncement, comprise entre un premier plan AA et un deuxième plan BB, le plan BB étant parallèle au plan AA, et une seconde zone Il' située à l'extérieur des plans AA et BB. Toutefois, à la différence de la structure composite 2, la structure composite 202 comprend également un moyen de fixation supplémentaire 206 qui est par exemple, un rivet métallique. Le rivet 206 est inséré dans le renfoncement l' et s'étend selon une direction sensiblement parallèle aux plans AA et BB. Une troisième structure composite 302 selon l'invention est représentée sur la figure 4. La structure 302 comprend une plaque supérieure 304 fixée sur une plaque inférieure 305. La plaque supérieure 304 est réalisée dans un matériau composite comprenant une résine thermoplastique 308 et des fibres continues 310 telles que des fibres de verre ou de carbone. La plaque inférieure 305 est réalisée dans un matériau composite comprenant une résine thermoplastique 312 et des fibres continues 314 telles que des fibres de verre. Les fibres de verre 310 de la plaque supérieure 304 sont aiguilletées verticalement vers le bas de façon à ce qu'elles soient partiellement insérées dans la résine 312 de la plaque inférieure 305. Par « aiguilleté verticalement vers le bas », on comprend qu'une aiguille est insérée dans la résine 308, dans laquelle elle rentre en contact avec une fibre de verre 310. Par le mouvement vertical vers le bas de l'aiguille, la portion de la fibre 310 en contact avec l'aiguille est entraînée vers le bas dans la résine 312, entraînant ainsi toute une partie de la fibre 310 dans la résine 312, le reste de la fibre 310 restant horizontal. De même, les fibres de verre 314 de la plaque inférieure 305 sont aiguilletées verticalement vers le haut de façon à ce qu'elles soient partiellement insérées dans la résine 308 de la plaque supérieure 304. La plaque supérieure 304 est donc enchâssée dans la plaque inférieure 305. Le procédé de fabrication de telles structures composites va maintenant être explicité en regard des figures 5 à 8. Tout d'abord, on dispose dans deux fours 402A et 402B, ou dans un seul four, à rayonnement infrarouge ou à air chaud par exemple, une première plaque supérieure 404 et une seconde plaque inférieure 406. La plaque supérieure 404 est réalisée dans un matériau composite comprenant une résine thermoplastique 408 et des fibres de verre 410. La plaque inférieure 406 est réalisée dans un matériau composite comprenant une résine thermoplastique 412 et des fibres de verre 414. Les résines 408 et 412 sont telles qu'elles ne fluent pas complètement car elles n'atteignent pas une fluidité suffisante. En variante, les deux plaques 404 et 406 peuvent être disposées en même temps dans un seul four agencé pour réaliser le traitement thermique des deux plaques en même temps. Ensuite, on positionne la plaque inférieure chauffée 406 en-dessous de la plaque supérieure chauffée 404, entre un moule 416 et un contre-moule 418. Un poinçon 420 fait saillie hors du contre-moule 418. Un ensemble d'aiguilles 422 fait saillie verticalement par rapport au poinçon 420 et un ensemble d'aiguilles 424 fait saillie verticalement par rapport au moule 416. Avantageusement, les aiguilles 422 sont décalées horizontalement par rapport aux aiguilles 424, de sorte que lorsque le contre-moule 418 est déplacé verticalement vers le moule 416, les aiguilles 422 et 424 ne peuvent pas entrer en contact. Le contre-moule 418 est par la suite déplacé verticalement vers le moule 416, de façon à compresser la plaque supérieure 404 sur la plaque inférieure 406. Les résines 408 et 412 fusionnent alors en surface des plaques afin que l'ensemble des plaques 404 et 406 soient solidaires pour former une structure composite 430. Le poinçon 420 permet la réalisation d'un renfoncement. Les aiguilles 422 aiguillètent verticalement vers le bas les fibres 410 dans la résine 412. De même, les aiguilles 424 aiguillètent verticalement vers le haut les fibres 414 dans la résine 408. Les aiguilles sont de forme adéquate afin de « repousser » les fibres et ainsi réaliser cette opération d'aiguilletage. Enfin, le contre-moule 418 est déplacé verticalement vers le haut, et la structure 430 possédant un renfoncement, les fibres 410 de la plaque supérieure étant partiellement insérées dans la résine 412 de la plaque inférieure 406 et les fibres 414 étant partiellement insérées dans la résine 408 de la plaque supérieure est retirée du moule 416. En variante, représentée sur les figures 9 et 10, le poinçon 420 ne fait pas saillie hors du contre moule, par exemple pour réaliser une structure dans laquelle les fibres de l'une des plaques sont insérées dans la résine de l'autre plaque. Alternativement, la réalisation d'un renfoncement peut être réalisée ultérieurement. La structure composite 2 est donc particulièrement simple de fabrication car elle peut être réalisée dans l'étape de thermocompression et n'engendre donc aucun coût supplémentaire dans le processus de fabrication actuellement mis en place. De plus, le renfoncement I permet une continuité des transferts d'efforts et donc une meilleure tenue mécanique des liaisons entre deux matériaux composites thermoplastique. La structure composite 202 présente les mêmes avantages que la structure composite 2, à ceci près qu'une étape de rivetage est à ajouter au processus de fabrication. Toutefois, la présence du rivet 206 permet d'augmenter encore davantage la tenue mécanique de l'assemblage. Enfin, la structure composite 302 est également particulièrement simple de fabrication car elle peut être réalisée dans l'étape de thermocompression. L'enchevêtrement des fibres permet la création d'un réseau tridimensionnel de fibres à l'interface entre les deux plaques, ce qui augmente la résistance mécanique de l'assemblage. Selon d'autres modes de réalisation, les plaques supérieure et inférieure ne sont que partiellement superposées l'une sur l'autre. Par exemple, la figure 11 présente une structure comprenant deux plaques 505 et 506 en composite de forme rectangulaire dont les extrémités se superposent de façon à former un coin 508 en angle droit. De plus, la structure composite, selon d'autres modes de réalisation, comprend plusieurs renfoncements. Par exemple, la figure 11 illustre une structure comprenant deux renfoncements 510 et 512 présentant, dans un plan perpendiculaire aux plans A et B, une section en forme de croissant de lune. La concavité des sections des renforcements est dirigée vers le coin 508 en angle droit formé par les deux plaques superposées 505 et 506. Les deux tels renfoncements 510 et 512 s'étendent sensiblement parallèlement l'un à l'autre. Une telle structure permet une solide fixation des plaques et présente une résistance mécanique aux cisaillements et à l'arrachement. D'autres formes de renfoncements communément appelés « bulldozers » sont également réalisables afin de renforcer l'ensemble des 2 plaques composites dans leurs zones superposées. De même, la structure composite peut comprendre plusieurs rivets, de différents types. REVENDICATIONS1.- Structure composite renforcée (2; 202; 302; 402) comprenant au moins une plaque supérieure (4 ; 204 ; 304 ; 404) et une plaque inférieure (5 ; 205 ; 305 ; 406), la plaque supérieure étant réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique (8 ; 308 ; 408) et des fibres continues (10 ; 310 ; 410), la plaque inférieure étant réalisée en un matériau composite comportant une matrice thermoplastique et des fibres continues, une partie de la plaque supérieure étant fixée sur une partie de la plaque inférieure par thermocompression, caractérisée en ce que la structure composite comprend au moins une zone dans laquelle la plaque supérieure est partiellement enchâssée dans la plaque inférieure. 2.- Structure composite renforcée (2; 202; 302) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un renfoncement (1 ; 1') comportant une portion de la plaque supérieure (4; 204; 404) et une portion associée de la plaque inférieure (5 ; 205 ; 406) compressées ensembles, ladite portion associée de la plaque inférieure étant en regard de ladite portion de la plaque supérieure. 3.- Structure composite renforcée (202) selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un rivet (206) inséré dans le renfoncement (1'). 4.- Structure composite renforcée (302) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres continues (310; 410) de la plaque supérieure (304 ; 404) sont partiellement insérées dans la matrice thermoplastique (312 ; 412) de la plaque inférieure (305 ; 406). 5.- Structure composite renforcée (302) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres continues (314; 414) de la plaque inférieure (305 ; 406) sont partiellement insérées dans la matrice thermoplastique (308; 408) de la plaque supérieure (304 ; 404). 6.- Structure composite renforcée (2; 202; 302) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres continues des plaques supérieure (4 ; 204 ; 304 ; 404) et inférieure (5 ; 205 ; 305 ; 406) sont des tissés de fibres de verre. 7.- Procédé de fabrication d'une structure composite (2; 202; 302) selon la revendication 1, procédé comprenant les étapes suivantes : - fourniture de d'une plaque supérieure (404) et d'une plaque inférieure (406), les deux plaques supérieure et inférieure étant réalisées en des matériaux composites thermoplastiques à fibres continues (410 ; 414),- thermocompression d'une partie de la plaque supérieure sur une partie de la plaque inférieure, l'ensemble formant la structure composite, - renforcement de la structure composite, caractérisé en ce que l'étape de thermocompression et l'étape de renforcement sont réalisées en même temps. 8.- Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de thermocompression, une partie des fibres (410 ;414) de la plaque supérieure (404), respectivement inférieure (406), sont aiguilletées dans une partie de la plaque inférieure, respectivement supérieure. 9.- Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'étape de thermocompression comprend les étapes suivantes : - chauffage des plaques supérieure et inférieure par rayonnement ou air chaud - positionnement de la plaque supérieure au-dessus de la plaque inférieure, les deux plaques étant positionnées entre un moule (416) et un contre-moule (418) comprenant au moins un poinçon de renfoncement (420), - moulage par enfoncement du contre-moule à l'intérieur du moule. 10.- Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de rivetage des plaques supérieure et inférieure dans laquelle un rivet (206) est inséré dans le renfoncement (1').20