Brevet FR3030355A1 — publié le 20160624

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL Le domaine de l'invention concerne les matériaux composites et la conductivité thermique de tels matériaux. En particulier, l'invention concerne l'amélioration de la conductivité thermique des matériaux composites dans le domaine de l'aéronautique. ETAT DE L'ART Dans le but d'alléger au maximum les structures des aéronefs (avion par exemple), notamment pour réaliser des économies de carburant, les matériaux métalliques sont remplacés par des matériaux composites à matrice organique. Mais l'un des inconvénients des matériaux composites est leur faible 15 conductivité thermique (entre 0 et 1 W/mrK) comparativement à celle du métal (plus de 100 W/mrK généralement). Cette faible conductivité thermique constitue parfois un obstacle lorsque le matériau a besoin d'évacuer d'importantes quantités de chaleur. On 20 peut citer par exemple les boitiers électroniques qui doivent évacuer la chaleur créée par les composants contenus à l'intérieur ou les lèvres d'entrée de nacelle qui sont équipées d'un dégivrage thermique. En particulier, à l'heure actuelle, les lèvres sont métalliques (pour conduire la chaleur et permettre le dégivrage) alors que la partie avale de la 25 nacelle est en matériau composite : la transition entre les deux matériaux autorise une dilatation et entraîne une perte d'efficacité aérodynamique. Il y a eu des tentatives par le passé pour augmenter la conductivité 30 thermique des matériaux composites par ajout de particules sous forme de charges métalliques ou de graphique expansé, à forte conductivité thermique, dans la matrice (i.e. la résine par exemple) du matériau. Ces particules, du fait de leur conductivité thermique plus élevée, sont censées améliorer la conductivité thermique du matériau composite. La figure 1 représente les résultats de ces expériences. Ces dernières sont peu encourageantes car il faudrait ajouter des quantités importantes de charges pour n'augmenter au final que faiblement la conductivité 5 thermique et cela au détriment des caractéristiques mécaniques du composite. Par exemple le rajout de 20% de graphite expansé fait augmenter la conductivité thermique de Polyamide de 0,5 W/m/°K à 3 W/m/°K, alors que la conductivité thermique des alliages d'aluminium couramment utilisés dans l'aéronautique est comprise entre 150 et 200 10 W/m/°K. La raison pour laquelle le rajout des charges conductrices de chaleur est si peu efficace est liée aux procédés de mise en forme des matériaux composites. En effet, comme illustré sur la figure 2, l'estampage, le 15 moulage par injection, le RTM (resin transfert molding) etc. provoquent tous une orientation préférentielle des charges conductrices C dans le plan P d'une pièce 10 à fabriquer. Notamment, lors de l'estampage, la direction privilégiée par le fluage du matériau a tendance à aligner les particules dans le plan P de fluage de la résine, et lors d'un moulage, les 20 particules ont tendance à s'aligner dans le sens du mouvement du fluide, c'est-à-dire selon le plan P. Or, il est recherché d'augmenter la conductivité hors plan, c'est-à-dire transversalement ou essentiellement orthogonalement à ce plan P. 25 PRESENTATION DE L'INVENTION Un des buts de l'invention est d'améliorer la conductivité hors plan, 30 c'est-à-dire transversalement ou principalement orthogonalement au plan de la pièce à fabriquer. Pour cela, l'invention propose un procédé de fabrication d'une pièce à conductivité augmentée pour aéronef, ladite pièce comprenant une résine, ladite résine comprenant des particules aimantées, ledit procédé étant effectué à l'aide d'un outillage comprenant un électro-aimant, et comprenant une étape d'application d'un champ magnétique à l'aide de l'électroaimant afin d'orienter selon une direction définie par le champ magnétique les particules aimantées dans la résine avant solidification de ladite résine. Dans tout le présent texte, une particule aimantée 100 signifie une particule capable de s'orienter selon les lignes d'un champ magnétique (voir figure 3a). Pour cela, la particule 100 est modélisée typiquement comme un dipôle magnétique passif comprenant un pôle nord 100a et un pôle sud 100b (voir figure 3b). On peut définir une longueur et une largeur à la particule 100, la longueur ayant une dimension très sensiblement supérieure à la largeur. Les termes de « particules chargées », de « particules conductrices » ou de « charges » renvoient, dans le cadre de la demande, à une particule possédant les propriétés susmentionnées, c'est-à-dire pouvant se déplacer ou s'orienter sous l'action d'un champ magnétique. Grâce à ce procédé, il est possible d'orienter les particules chargées selon la direction du champ magnétique, de façon à pouvoir améliorer la conductivité thermique de la pièce en matériau composite dans cette même direction. L'invention comprend en outre les caractéristique suivantes, prises seules ou en combinaison : - Le procédé comprend les étapes suivantes : o Chauffage de la résine dans un état malléable afin de permettre le déplacement des particules chargées, o Positionnement de la résine malléable dans l'outillage, o Application d'un champ magnétique à l'aide de l'électroaimant lors de la mise en forme de la pièce, afin d'orienter les particules aimantées dans la résine, o Refroidissement de la résine. 5 - l'outillage est une presse hydraulique comprenant un poinçon et une matrice de presse, pouvant venir au contact l'un de l'autre par translation, et dans lequel la mise en forme de la pièce est effectuée par estampage à l'aide du poinçon et de la matrice de 10 presse, - la pièce comprend une plaque composite comprenant un plan principal et dans lequel le champ magnétique est appliqué essentiellement orthogonalement audit plan, de façon à orienter 15 les particules chargées essentiellement orthogonalement audit plan, de sorte que la conductivité hors-plan de la pièce soit améliorée. En effet, le champ magnétique permet d'exercer un effort qui va s'opposer à la tendance naturelle des particules à s'orienter selon 20 le plan de la pièce, et les particules vont pouvoir s'orienter transversalement audit plan et ainsi augmenter la conductivité thermique dite hors-plan, - les particules chargées représentent 5 à 25% en masse de la 25 résine, - les particules ont une dimension comprise entre un micromètre et un millimètre, 30 - les particules sont en limaille de fer ou en graphite expansé, - le matériau est un matériau composite comprenant en outre des renforts en tissu alterné en fibre de carbone, - la résine est choisie parmi les résines thermoplastiques, telles que le PEI, PPS, PEEK ou polyamide, - la résine est choisie parmi les résines thermodurcissables telles que l'époxy. L'objet de l'invention concerne aussi une presse hydraulique pour pièce pour aéronef à conductivité thermique augmentée, ladite presse comprenant une matrice de presse et un poinçon, mobiles en translation l'un par rapport à l'autre selon un axe, caractérisé en ce que la presse comprend en outre un électroaimant apte à générer un champ magnétique essentiellement parallèle à l'axe de translation. L'objet de l'invention concerne aussi une pièce pour aéronef à conductivité thermique améliorée, ladite pièce étant en matériau composite, le matériau composite comportant une résine et des renforts, la pièce comprenant un plan principal, caractérisé en ce que la résine comprend des particules aimantées orientées transversalement audit plan principal de la pièce. Avantageusement, cette pièce peut être un boîtier électronique ou une lèvre d'entrée de nacelle selon la revendication précédente. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 représente un graphe montrant les solutions de l'art antérieur, - La figure 2 représente une plaque de matériau composite comprenant une charge de particules telle qu'existante dans l'art antérieur, - La figure 3a représente l'orientation de particules aimantées, - La figure 3b représente une particule aimantée, - La figure 4 représente différentes étapes d'un procédé conforme à l'invention, - La figure 5 représente un schéma expliquant le principe de l'invention (non à l'échelle), - La figure 6 représente un axe de températures utiles pour le procédé (non à l'échelle). - Les figures 7a à 7d représentent un mode de réalisation précis de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Le procédé Le procédé illustré sur les figures 4, 5 permet la fabrication d'une pièce 10 en matériau composite à l'aide d'un outillage 20 comprenant un électroaimant 30. La pièce 10 ainsi formée possède une conductivité thermique supérieure aux pièces en matériaux composites utilisées dans l'art antérieur. L'électroaimant 30 est apte à créer un champ magnétique 31 au travers de la pièce 10 en cours de mise en forme. La pièce 10 est typiquement fabriqué en matériau composite qui comprend une matrice en résine 11 avec des particules aimantées 100 et un renfort 12. Le renfort 12 est typiquement en tissu alterné en fibre de carbone. Néanmoins, toute pièce 10 comprenant de la résine 11 peut convenir. Les particules aimantées 100 ont une conductivité thermique élevée c'est-à-dire typiquement supérieur à 150 W/m/°K. Le procédé comprend une étape d'application d'un champ magnétique 31 à l'aide de l'électroaimant 31, afin d'orienter selon une direction définie par le champ magnétique les particules aimantées 100 dans la résine 11 de la pièce 10. Plus précisément, le procédé peut comprendre les étapes suivantes. Dans une première étape E10, la résine 11 du matériau composite est chauffée afin d'être rendue malléable et de permettre le déplacement des particules 100. Pour cela, la température atteinte par la résine 11 est définie comme la température de chauffe Tm et se situe au-delà de la température de transition vitreuse Tv de ladite résine 11 comprenant les particules 100 (voir figure 6). Dans une deuxième étape E20, la résine 11 malléable est positionnée dans l'outillage 20 de mise en forme. Dans cette étape, la résine 11 est toujours malléable. Dans une troisième étape E30, l'électroaimant 30 est activé pour créer un champ magnétique 31 à l'intérieur de la résine 11 et permettre l'orientation des particules 100 selon les lignes de champ 31. En outre, la pièce 10 est mise en forme à l'aide de l'outillage 20 dans cette étape E30. Dans une quatrième étape E40, la résine 11 est refroidie de sorte que les particules 100 se figent dans leur position au sein de la résine 11. Les particules aimantées 100 sont orientées dans la résine 11 à l'aide de l'électroaimant 30 avant solidification de la résine 11. Selon les modes de réalisations, le refroidissement commence dès la troisième étape E30, la température de chauffe Tm étant choisie pour que la température de la résine reste supérieure à la température de transition vitreuse Tv durant ladite étape de mise en forme E30 (voir figure 6). Alternativement, l'outillage 20 de mise en forme peut être chauffé à une température To proche de la température de transition vitreuse Tv, afin de faciliter la mise en forme de la pièce 10 et de s'assurer que la résine 11 reste assez malléable pour que les particules 100 s'alignent selon le champ magnétique 31. L'étape de refroidissement E4 est ainsi postérieure à l'étape de mise en forme E3 proprement dite. Le matériau composite Les particules chargées 100 représentent en masse entre 5 et 25% de la masse de la résine 11, et préférablement entre 15 et 20%. Au-delà des 25%, les propriétés mécaniques du matériau ne sont plus assurées. Le matériau composite est par exemple composé à 50% de résine 11 mélangée avec les particules 100 et à 50% de renforts en fibre. Dans la direction définie par le renfort 12, le matériau composite possède une bonne conductivité thermique, du fait des renforts 12 qui sont généralement en fibre de carbone. En revanche, dans une autre direction, la résine 11 agit comme isolant thermique. La résine 11 est préférablement de type thermoplastique, tel que : PEI (polyétherimide), PPS (polysulfures de phénylène), PEEK (polyétheréthercétone) ou polyamide. Alternativement, la résine 11 est de type thermodurcissable, tel que 30 l'époxy. Les particules 100 sont composées préférablement de matériau ferromagnétique tel que le fer (Fe), le nickel (Ni) ou le Cobalt (Co) ou en alliage possédant des propriétés similaires. On peut notamment citer la limaille de fer ou du graphite expansé. 5 Alternativement, des particules 100 en matériau paramagnétiques peuvent être utilisées. Les particules 100 possèdent une température de Curie Tc, c'est-à-dire une température à partir de laquelle un matériau perd son magnétisme. Cette température Tc doit de préférence être supérieure à la 10 température de chauffe Tm. En effet, il est nécessaire que les particules 100 puissent s'aligner selon le champ magnétique 31 lorsque la résine 11 est chauffée à la température de chauffe Tm. La taille des particules 100 est préférablement comprise entre un micromètre (1pm) et un millimètre (1 mm), de façon à pouvoir 15 s'orienter plus commodément dans la résine 11 tout en permettant une conductivité thermique satisfaisante. L'électroaimant 20 La viscosité de la résine 11 malléable s'opposant au déplacement des particules 100, l'électroaimant 30 est dimensionné de sorte que les particules 100 puissent se déplacer, s'orienter en effectuant une rotation, à l'intérieur de la matrice en résine 11 malléable. L'intensité du champ 31 délivré est ainsi typiquement comprise entre 1 25 milliTesla (1 mT) et cent milliTesla (10 mT). Cette valeur dépend notamment du type de résine 11 et de sa viscosité, ainsi que de la température de chauffe Tm de la résine 11. Dans le cas où le champ magnétique 31 ne couvre pas certaines parties 30 de la pièce 10 devant être traitées, l'électroaimant 30 peut être mobile sur l'outillage 20 de mise en forme. Enfin, dans le but de créer un puits de chaleur, c'est-à-dire un endroit ciblé de la pièce 10 dont le but est d'évacuer la chaleur, il est possible d'établir un chemin préférentiel de conduction de la chaleur en appliquant différents champs magnétiques 31 à différents endroits de la pièce afin d'orienter les particules 100 selon un chemin particulier qui va permettre de conduire la chaleur au travers la pièce 10. Un gradient de champ magnétique 31 peut ainsi être appliqué sur la pièce 10 afin de fabriquer un gradient de conductivité thermique au sein de la pièce 10. La pièce 10 En particulier, la pièce 10 de matériau composite encore non mise en forme est une plaque 14 comprenant un plan principal 15 et le champ magnétique 31 est appliqué essentiellement transversalement audit plan 15, de façon à orienter les particules chargées 100 transversalement audit plan 15, afin d'améliorer la conductivité thermique hors-plan de la pièce 10 mise en forme. Typiquement, une orientation transversale correspondant à une orientation essentiellement orthogonale audit plan. Par conductivité thermique hors-plan, on entend la conductivité thermique transversalement au plan 15, et donc entre les deux surfaces principales 14a, 14b qui sont définies par la plaque 14. On peut aussi définir les plans 15 comme locaux, notamment lorsque la mise en forme de la pièce nécessite de plier certaines parties de la plaque 14. Un mode de réalisation particulier : l'estampage A présent, en relation avec les figures 7a à 7d, un exemple de mode de réalisation particulier va être décrit dans le cadre de l'estampage. Le matériau composite est originellement sous la forme de la plaque 14 précédemment décrite, qui est dite « composite stratifiée pré- consolidée », c'est-à-dire que les renforts 12 sont déjà positionnés en strate selon le plan principal 15 dans la résine 11 qui est elle-même solidifiée. En outre, les particules 100 sont déjà présentes dans la résine 11. Dû au procédé de fabrication de la plaque 14 pré-consolidée, les particules 100 sont alors orientées selon le plan principal 15. L'outillage 20 de mise en forme est alors une presse hydraulique comprenant un poinçon 21 et une matrice de presse 22. Le poinçon 21 est adapté pour venir au contact de ladite matrice 22 par translation relative selon un axe A (voir figure 7b). Le poinçon 21 ou la matrice de presse 22 est alors montée avec l'électroaimant 30. Préférablement, le poinçon 21 et la matrice de 22 sont montés chacun avec un électroaimant 30. Afin de favoriser la propagation du champ magnétique 31, le poinçon 21 15 et la matrice 22 sont avantageusement composés d'un matériau ferromagnétique, tel qu'un alliage de fer par exemple. Dans l'étape E10 de chauffage (figure 7a), la plaque 14 est chauffée dans un four à infrarouges 40 à la température de chauffe Tm. Le 20 chauffage dure typiquement entre trois et quatre minutes. Dans l'étape E20 de positionnement (figure 7b), la plaque 14 est transférée en état malléable vers la presse hydraulique 20, de préférence par un système de transport automatique 50. Le transfert 25 dure quelques secondes, entre deux et dix secondes de préférence. Dans l'étape E30 de mise en forme (figure 7c), la presse se referme 20 : le poinçon 21 et la matrice 22 se rapprochent pour qu'au contact du poinçon 21, la plaque 14, encore malléable, épouse la forme définie par 30 la matrice 22 et le poinçon 21. A la fermeture de la presse 20, les électroaimants 30 intégrés à la presse 20 sont activés pour créer le champ magnétique 31. Les particules 100 s'alignent alors selon les lignes de champ 31. Avantageusement, la presse hydraulique 20 est chauffée à une température To légèrement inférieure à la température de transition vitreuse de la résine Tv, de façon à faciliter la mise en forme (voir figure 6). Selon la forme de la matrice 22, certaines parties de la plaque 14 peuvent ne plus être orthogonales au champ magnétique 31. Néanmoins, l'alignement des particules 100 selon le champ magnétique 31 est encore transversale (c'est-à-dire qu'une des composantes est orthogonal localement à la plaque 14) et permet d'améliorer la conductivité hors plan par un alignement des particules 100 avec un angle par rapport au plan principal 15 compris entre 25 et 900. En outre, le champ magnétique 31 issu de l'électroaimant n'est pas nécessairement parallèle à l'axe de translation A de la presse 20 : il peut exister un léger décalage angulaire de quelques degrés. Il n'est ainsi pas nécessaire que les particules 100 soient parfaitement orthogonales aux surfaces 14a, 14b de la plaque 14, mais il est nécessaire que l'orientation des particules 100 soit transversale et permette ainsi d'améliorer la conductivité thermique hors-plan, c'est-à-dire entre les deux surfaces 14a, 14b de la plaque. Dans l'étape E40 de refroidissement (figure 7c), qui se déclenche dès lors que la presse 20 est refermée, la pièce 10 issue de la plaque 14 est refroidie progressivement, de façon à figer les particules 100 dans leur orientation parallèle aux lignes de champ 31. Le refroidissement dure en général une vingtaine de seconde mais peut être prolongé volontairement pour optimiser l'orientation des particules 100. Enfin, dans une étape E50 de finition (figure 7d), la pièce 10 est démoulée et subit une opération de finition par détourage des bords. Pour une densité de 20% de particules 100 dans la résine 10, la conductivité de la pièce 10 obtenue est comprise entre 10 et 40 W/m/°K, soit 3 à 15 fois supérieure à celle des pièces en matériau composite de l'art antérieur. Autres modes de réalisation Avantageusement, d'autres procédés de fabrication de pièces peuvent être utilisés : RTM (resin transfert moulding), thermocompression, moulage par injection, etc. Dans le cas des moulages, le moule comporte des électroaimants qui permettent l'application d'un champ magnétique permettant d'orienter les particules aimantées selon une direction choisie. Pour ce mode de réalisation, la résine est chauffée pour être moulée, puis, une fois les particules orientées, la résine est refroidie de sorte à figer lesdites particules. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (10) à conductivité augmentée pour aéronef, ladite pièce comprenant une résine (11), ladite résine (11) comprenant des particules aimantées (100), ledit procédé étant effectué à l'aide d'un outillage (20) comprenant un électro-aimant (30), et comprenant une étape d'application d'un champ magnétique (31) à l'aide de l'électroaimant (31) afin d'orienter selon une direction définie par le champ magnétique les particules aimantées (100) dans la résine (11) avant solidification de ladite résine (11). 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre les étapes suivantes : - (E10) Chauffage de la résine (11) dans un état malléable afin de permettre le déplacement des particules chargées (100), - (E20) Positionnement de la résine (11) malléable dans l'outillage (20), - (E30) Application d'un champ magnétique (31) à l'aide de l'électroaimant (31) lors de la mise en forme de la pièce (10), afin d'orienter les particules aimantées (100) dans la résine (11), (E40) Refroidissement de la résine (11). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'outillage (20) est une presse hydraulique comprenant un poinçon (21) et une matrice de presse (22), pouvant venir au contact l'un de l'autre par translation, et dans lequel la mise en forme de la pièce (10) est effectuée par estampage à l'aide du poinçon (21) et de la matrice de presse (22). 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce (10) comprend une plaque (14) composite comprenant un plan principal (15) et dans lequel le champ magnétique (31) est appliqué essentiellement orthogonalement audit plan (15), de façon à orienter les particules chargées (100) essentiellement orthogonalement audit plan (15), de sorte que la conductivité hors-plan de la pièce (10) est améliorée. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules chargées (100) représentent 5 à 25% en masse de la résine (11). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules (100) ont une dimension comprise entre un micromètre et un millimètre. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules (100) sont en limaille de fer ou en graphite expansé. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau est un matériau composite comprenant en outre des renforts (12) en tissu alterné en fibre de carbone. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la résine (11) est choisie parmi des résines thermoplastiques telles que le PET, PPS, PEEK ou polyamide, ou des résines thermodurcissables, telles que l'époxy. 10.Presse hydraulique (20) pour pièce pour aéronef à conductivité thermique augmentée permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, ladite presse (20) comprenant une matrice de presse (22) et un poinçon (21), mobiles en translation l'un par rapport à l'autre selon un axe (A), caractérisé en ce quee . 16 la presse (20) comprend en outre un électroaimant (30) apte à générer un champ magnétique (31) essentiellement parallèle à l'axe de translation (A). 11.Pièce (10) pour aéronef à conductivité thermique améliorée obtenue à l'aide d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ladite pièce étant en matériau composite, le matériau composite comportant une résine (11) et des renforts (12), la pièce (10) comprenant un plan principal (15), caractérisé en ce que la résine comprend des particules aimantées (100) orientées transversalement audit plan principal de la pièce (10). 12.Pièce (10) selon la revendication précédente, dans laquelle la pièce est un boitier électronique ou une lèvre d'entrée de nacelle.