Brevet FR3059266A1 — publié le 20180601

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication de préformes fibreuses tissées et de pièces en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice. L'emploi de matériaux composites est aujourd'hui courant dans le domaine aéronautique, et ce afin de réduire la masse des pièces pour augmenter le rendement global du moteur. Par exemple, les aubes ou le carter de la soufflante d'une turbomachine aéronautique sont désormais fabriquées en matériau composite à matrice organique. Pour fabriquer des pièces de forme complexe telles que celles précitées, on connait notamment le procédé de moulage par injection de résine ou RTM (« Resin Transfer Molding »). Ce procédé bien connu consiste à mettre en forme une préforme fibreuse sèche préalablement tissée dans un moule, puis à injecter de la résine à l'intérieur de la porosité de ladite préforme afin d'obtenir, après traitement thermique de polymérisation de la résine, la pièce en matériau composite. Le procédé RTM présente toutefois des inconvénients. Pour assurer une bonne résistance mécanique des pièces ainsi fabriquées, il est généralement nécessaire d'augmenter la ténacité de la résine en y ajoutant des additifs qui augmentent sa viscosité. Une telle résine, plus visqueuse, est difficile à utiliser dans le procédé RTM, à cause des pressions d'injection importantes qu'elle nécessite. En outre, lors de l'injection, des chemins préférentiels pour la résine se forment dans la préforme, ce qui laisse subsister des porosités dans la pièce finale qui sont difficiles à supprimer. De même, lors de l'utilisation de torons de fibres, la résine injectée a généralement plus de difficultés à boucher les microporosités présentes entre les fibres et entre les torons. Enfin, les problèmes précités réduisent l'homogénéité de la réaction de polymérisation lors de la cuisson de la résine, ce qui peut, à terme, créer des contraintes internes dans la pièce finale et réduire sa durée de vie. On connait également des procédés mettant en oeuvre l'utilisation de plis pré imprégnés de résine, aussi appelés « prepregs ». L'emploi de prepregs permet d'utiliser des résines plus visqueuses que 35 dans le procédé RTM, et de disposer d'une matrice ayant une ténacité améliorée. Toutefois, les prepregs se présentent généralement sous la 3059266 2 forme de tissus bidimensionnels qui sont mal adaptés à la fabrication de pièces tridimensionnelles complexes. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite présentant une résistance mécanique 5 améliorée qui ne présente pas les inconvénients précités. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant, selon un premier aspect, un procédé de 10 fabrication d'une préforme fibreuse tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice, ladite résine présentant à l'état cru une température de transition vitreuse Tg°, le procédé comprenant : - l'imprégnation de fils ou torons avec la résine, - l'alimentation d'un métier à tisser avec les fils ou torons 15 imprégnés maintenus à une température comprise entre Tg° et Tg°+10°C. - le tissage des fils ou torons dans le métier à tisser afin d'obtenir la préforme fibreuse tissée imprégnée de résine. Par « résine à l'état cru » ou « résine crue », on entend une résine qui n'a pas encore été cuite ou exposée à une température à 20 laquelle sa polymérisation ou cuisson a pu débuter. En d'autres termes, Tg° correspond à la température de transition vitreuse d'une résine qui présente un taux de polymérisation sensiblement nul. On distingue ainsi la Tg° de la Te qui correspond quant à elle à la température de transition vitreuse de la résine cuite, c'est-à-dire dont la polymérisation est 25 totalement ou presque totalement achevée. De manière générale, la température de transition vitreuse crue Tg° est inférieure à la température de transition vitreuse de la résine polymérisée Tgoe. Le procédé de fabrication d'une préforme fibreuse selon l'invention permet d'obtenir une préforme tissée imprégnée de résine 30 obtenue par exemple par tissage tridimensionnel ou multicouche. La préforme fibreuse obtenue pourra ainsi constituer le renfort fibreux d'une pièce en matériau composite de forme complexe. En outre, la préforme peut être imprégnée de résines plus visqueuses que celles typiquement utilisées dans un procédé RTM puisqu'aucune injection ne sera nécessaire pour imprégner et densifier la préforme. De telles résines sont par exemple celles, connues, qui sont utilisées dans les prepregs. Il est ainsi 3059266 3 désormais possible de bénéficier de la forte ténacité de ces résines dans une pièce avec un renfort fibreux obtenu par tissage tridimensionnel. Un procédé de fabrication d'une telle pièce sera détaillé plus loin. Par « tissage tridimensionnel », « tissage 3D », « tissage 5 multicouches » on entend ici un mode de tissage par lequel certains au moins des fils de chaîne lient des fils de trame sur plusieurs couches de trame. Un tel tissage peut être réalisé dans un métier à tisser de type jacquard, de façon connue en soi. La température de transition vitreuse de la résine à l'état cru 10 peut être la température de transition vitreuse mesurée par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sur la résine à l'état cru. De manière générale, la température à laquelle les fils sont maintenus pour alimenter le métier à tisser sera choisie en fonction du type de résine utilisé. Plus précisément, cette température ne doit pas être 15 inférieure à la Tg° de la résine crue pour éviter que cette dernière ne soit trop cassante et éviter d'abîmer les fils ou torons lorsque ces derniers traversent le métier à tisser. En outre, cette température ne doit pas être supérieure à Tg°+10°C afin d'éviter que la résine ne soit trop liquide et collante, ce qui rendrait le tissage des fils ou torons pré imprégnés difficile 20 à réaliser dans le métier à tisser et entraînerait un encrassage de ce dernier. Dans un exemple de réalisation, les fils ou torons peuvent être en carbone ou en carbure de silicium. Dans un exemple de réalisation, la résine peut être une résine 25 thermodurcissable époxyde. Par exemple, la résine utilisée peut être une résine commerciale telle que celle commercialisée sous la référence « HexPly® 8552 » par la société Hexcel, ou encore la résine « CYCOMC) 934 » de la société CYTEC. La résine utilisée peut aussi être une résine de la famille des bismaléimides (MBI), ou encore une résine thermoplastique. 30 Dans un exemple de réalisation, les fils ou torons imprégnés de résine peuvent être présents dans une enceinte réfrigérée alimentant le métier à tisser en fils ou torons imprégnés de résine. Les fils ou torons peuvent être stockés dans l'enceinte réfrigérée, ou peuvent en variante simplement la traverser avant d'être tissés. 35 L'invention vise aussi, selon un deuxième aspect, un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort 3059266 4 fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes : - fabrication d'une préforme fibreuse tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice par un procédé tel que celui décrit plus haut, 5 - placement de la préforme fibreuse dans une cavité d'un moule ayant la forme de la pièce à fabriquer, - chauffage de la préforme fibreuse à une température de ramollissement de la résine de façon à liquéfier la résine, - élimination de l'air présent dans la préforme fibreuse, 10 - compactage de la préforme fibreuse dans le moule, - traitement thermique de polymérisation de la résine présente dans la porosité de la préforme fibreuse de façon à obtenir la pièce en matériau composite, et - démoulage de la pièce en matériau composite. 15 L'élimination de l'air présent dans la préforme fibreuse peut être réalisé en mettant sous vide la cavité du moule, ou en faisant le vide dans une enceinte fermée dans laquelle est présent le moule. De préférence, l'élimination de l'air présent dans la préforme fibreuse est réalisée simultanément ou après le chauffage de la préforme fibreuse à une 20 température de ramollissement de la résine de façon à permettre un meilleur échappement des bulles d'air de la préforme. La température de ramollissement de la résine peut être, de façon connue, la température à laquelle la viscosité de la résine atteint un minimum, ou encore la température permettant l'évacuation des bulles d'air présentes dans la 25 préforme. Le compactage de la préforme fibreuse dans le moule permet de faire dégorger éventuellement le surplus de résine présent dans la préforme, et peut s'accompagner d'une phase de maintien d'une pression de compaction sur le moule et/ou d'une réinjection du surplus de résine dans le moule pour maintenir une pression uniforme à l'intérieur de la 30 cavité du moule. En mettant en oeuvre un tel procédé, la porosité de la préforme est uniformément gorgée de résine et l'absence de porosité résiduelle est assurée. Ainsi, la polymérisation ou cuisson de la résine peut être réalisée de manière uniforme dans toute la préforme imprégnée, réduisant la 35 présence de contraintes internes dans la pièce finale. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réaliser des pièces en matériau composite 3059266 5 comprenant un renfort fibreux obtenu par exemple par tissage tridimensionnel, et une matrice obtenue à partir de résines à plus forte ténacité et plus visqueuses que celles utilisées dans les procédés RTM, ce qui n'était pas envisageable auparavant. 5 Dans un exemple de réalisation, la pièce fabriquée peut être une aube de soufflante ou un carter de soufflante de turbomachine aéronautique. Dans un exemple de réalisation, l'étape de compactage de la préforme fibreuse dans le moule peut comprendre la réinjection dans le 10 moule d'un surplus de résine ayant dégorgé de la préforme de façon à maintenir une pression uniforme à l'intérieur de la cavité du moule. L'invention vise enfin, selon un troisième aspect, une installation pour la fabrication d'une préforme fibreuse tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice, comprenant : un métier à tisser, une enceinte dans 15 laquelle sont stockés des fils ou torons imprégnés de résine, l'enceinte étant configurée pour alimenter le métier à tisser en fils ou torons. Conformément à l'invention, la température à l'intérieur de l'enceinte est comprise entre la température de transition vitreuse Tg° de la résine à l'état cru et Tg°+10°C. 20 Dans un exemple de réalisation, le métier à tisser peut être dans l'enceinte. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 25 ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1. est une vue très schématique d'un exemple d'installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'une 30 préforme fibreuse tissée imprégnée de résine selon l'invention, - les figures 2A à 2D illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'invention, et - les figures 3A à 3C illustrent différentes étapes d'une variante 35 de procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'invention. 305 92 66 6 Description détaillée de l'invention La figure 1. montre très schématiquement une installation 1 permettant de réaliser une préforme fibreuse 10 imprégnée de résine. 5 L'installation 1 comprend un métier à tisser 20, par exemple du type jacquard, et une enceinte 30 située en amont du métier à tisser (dans le sens de convoyage des fils à tisser vers le métier à tisser). Des rouleaux 40 de fils ou torons 41 pré imprégnés de résine sont stockés à l'intérieur de l'enceinte 30. L'enceinte 30 comprend une ouverture 31 permettant 10 aux fils ou torons des rouleaux 40 d'alimenter le métier à tisser 20. Conformément à l'invention, la température à l'intérieur de l'enceinte 30 est comprise entre la température de transition vitreuse Tg° de la résine à l'état cru et Tg°÷10°C de façon à ce que les fils ou torons 41 qui alimentent le métier à tisser 20 soient à la température de l'enceinte 30. 15 Dans une variante non illustrée, l'installation peut comprendre le métier à tisser 20, les rouleaux 40, et une enceinte refroidie à une température comprise entre Tg° et Tg°+10°C dans laquelle sont présents le métier à tisser 20 et les rouleaux 40. Toujours dans une variante non illustrée, les fils ou torons 41 20 peuvent être secs sur les rouleaux 40, et traverser un bain de résine lors de leur convoyage vers le métier à tisser de façon à les imprégner de résine avant leur tissage. Dans ce cas, on veillera à ce que les fils ou torons imprégnés soient à la bonne température avant d'être tissés. Les fils ou torons 41 peuvent être en carbone, en céramique 25 telle que du carbure de silicium SiC, en verre ou encore en aramide. La résine peut être choisie parmi les résines époxydes, et éventuellement comprendre des additifs permettant d'augmenter sa ténacité. Pour obtenir une préforme fibreuse tissée imprégnée de résine, on réalise le tissage des fils ou torons pré imprégnés 41 provenant des 30 rouleaux 40 stockés dans l'enceinte 30 à l'aide du métier à tisser 20. La température à laquelle sont maintenus lesdits fils ou torons 41 rend leur tissage possible sans encrassement du métier à tisser 20, puisque la résine n'est ni trop cassante, ni trop liquide ou collante. Comme indiqué précédemment, le tissage peut être un tissage tridimensionnel, mais 35 également multicouche ou bidimensionnel. Le tissage tridimensionnel peut, dans l'exemple illustré, être un tissage à armure « interlock », connu 3059266 7 en soit. D'autres types de tissage multicouches connus pourront être utilisés, comme notamment ceux décrits dans le document WO 2006/136755. Un exemple de procédé de fabrication d'une pièce en matériau 5 composite selon l'invention va maintenant être décrit en lien avec les figures 2A à 2D. Après avoir obtenu une préforme fibreuse 10 tissée et imprégnée de résine comme décrit précédemment, la préforme 10 est détourée et les fils sortant des couches sont coupés, puis la préforme 10 10 est positionnée dans un moule 50. Le moule 50 illustré schématiquement sur les figures comprend une partie formant support 51 et un contre-moule 52, qui définissent entre eux une cavité creuse 43 dans laquelle la préforme 10 est placée. La cavité 53 présente une forme et des dimensions correspondant à la pièce à fabriquer. La partie formant 15 support 51 comprend ici des joints 54 qui assurent l'étanchéité du moule 50 lorsque celui-ci est fermé. Dans l'exemple illustré, le moule 50 comprend également un évent 55. Le moule 50 peut ensuite être progressivement fermé, comme illustré sur la figure 2B. Avant, après ou pendant la fermeture du moule 20 50, la préforme 10 est chauffée à une température de ramollissement de la résine. Lorsque le moule 50 est fermé de façon étanche et que la résine présente dans la préforme 10 est ramollie ou liquéfiée, on peut ensuite éliminer l'air présent dans la cavité 53 en faisant le vide. L'air est ici évacué de la cavité 53 par l'évent 55. On obtient ainsi après ces étapes 25 une préforme 10 imprégnée de résine dans toute sa porosité interne et exempte de bulles d'air. Puis, une pression de compaction peut être appliquée sur le moule 50 afin de mettre en forme la préforme et faire dégorger le surplus de résine présent dans la préforme, comme illustré sur la figure 2C. Ce 30 surplus peut être évacué au travers de l'évent 55 par des moyens non illustrés. En outre, il est possible de maintenir une pression homogène à l'intérieur, de la cavité 53 en réinjectant une partie de la résine qui a été évacuée lors de la compaction. Enfin, le moule 50 est chauffé, de préférence de façon uniforme, 35 afin d'amorcer la polymérisation (cuisson) de la résine présente dans la préforme 10 et de densifier la préforme 10 (figure 2D). On obtient ainsi 3059266 8 après cuisson, la pièce en matériau composite qui pourra ensuite être démoulée et sur laquelle on pourra réaliser des finitions. Un autre exemple de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention est illustré sur les figures 3A à 3C. 5 Dans cet exemple, le moule 50 est placé dans une enceinte 60 hermétique et munie d'un évent 61. A la différence de l'exemple illustré sur les figures 2A à 2D, l'élimination de l'air présent dans la préforme 10 imprégnée est réalisé en faisant le vide dans l'enceinte 60 (figure 3A), et non plus directement à l'intérieur du moule 50 fermé. De la sorte, le 10 moule 50 peut être fermé après l'étape d'élimination de l'air présent dans la préforme 10. Comme précédemment, le moule est ensuite fermé et une pression de compaction est appliquée sur le moule 50 (figure 3B) pour mettre en forme la préforme et faire dégorger le surplus de résine. Enfin, le moule 50 est chauffé afin de polymériser la résine, densifier la préforme 15 10 et obtenir la pièce finale (figure 3C). La pièce peut ensuite être démoulée. Le procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'invention a été illustré en utilisant un moule comprenant une partie formant support et un contre-moule. On notera qu'en variante on peut 20 utiliser d'autres moyens connus pour réaliser la densification de la préforme, par exemple un montage avec bâche à vide disposé dans un autoclave. Dans le présent exposé, l'expression « compris entre ... et ... » doit être entendue comme incluant les bornes. 25 Exemple On cherche à fabriquer une aube de soufflante de turbomachine aéronautique en matériau composite à matrice organique par un procédé selon l'invention. Les étapes suivantes sont réalisées successivement : 30 on imprègne des torons de fibres de carbone avec une résine commercialisée sous la référence HexPly® 8552 de la société Hexcel, la température de transition vitreuse Tg° de cette résine à l'état cru donnée par le fabriquant et obtenue par DSC est de l'ordre de -4°C (-3,95°C), 3059266 9 on place les torons sous forme d'un rouleau dans une armoire réfrigérée à 0°C, l'armoire comprenant des ouvertures permettant d'alimenter un métier à tisser avec lesdits torons, - on tisse les torons maintenus à 0°C dans le métier à tisser par 5 tissage tridimensionnel afin d'obtenir une préforme fibreuse d'aube tissée imprégnée par la résine, - on procède éventuellement à la découpe de la préforme tissée à l'aide de ciseaux, - on dispose la préforme dans la cavité d'un moule ayant la forme de 10 l'aube à fabriquer, - on chauffe le moule à une température de 100°C afin de ramollir la résine, on ferme le moule et on fait le vide à l'intérieur de la cavité afin d'évacuer l'air présent dans la préforme, 15 on applique une pression de compaction sur le moule pour mettre en forme la préforme et assurer une pression homogène dans la cavité du moule, au besoin on réinjecte de la résine qui aurait dégorgé de la préforme durant cette étape, on chauffe le moule jusqu'à 110°C pendant 150 minutes après une 20 rampe de montée progressive en température afin de polymériser la résine, - on démoule l'aube ainsi obtenue, et - on réalise éventuellement des opérations de finition. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une préforme fibreuse (10) tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice, ladite résine présentant à 5 l'état cru une température de transition vitreuse Tg°, le procédé comprenant : - l'imprégnation de fils ou torons (41) avec la résine, - l'alimentation d'un métier à tisser (20) avec les fils ou torons imprégnés maintenus à une température comprise entre Tg° et Tg°+10°C, 10 et - le tissage des fils ou torons dans le métier à tisser afin d'obtenir la préforme fibreuse tissée imprégnée de résine. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les fils ou 15 torons (41) sont en carbone ou en carbure de silicium. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la résine est une résine thermodurcissable époxyde. 20 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les fils ou torons (41) imprégnés de résine sont présents dans une enceinte réfrigérée (30) alimentant le métier à tisser (20) en fils ou torons imprégnés de résine. 25 5. Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes : - fabrication d'une préforme fibreuse (10) tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice par un procédé selon l'une quelconque 30 des revendications 1 à 4, - placement de la préforme fibreuse dans une cavité (54) d'un moule (50) ayant la forme de la pièce à fabriquer, - chauffage de la préforme fibreuse à une température de ramollissement de la résine de façon à liquéfier la résine, 35 - élimination de l'air présent dans la préforme fibreuse, - compactage de la préforme fibreuse dans le moule, 3059266 11 - traitement thermique de polymérisation de la résine présente dans la porosité de la préforme fibreuse de façon à obtenir la pièce en matériau composite, et - démoulage de la pièce en matériau composite. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la pièce fabriquée est une aube de soufflante ou un carter de soufflante de turbomachine aéronautique. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel l'étape de compactage de la préforme fibreuse dans le moule comprend la réinjection dans le moule d'un surplus de résine ayant dégorgé de la préforme de façon à maintenir une pression uniforme à l'intérieur de la cavité du moule. 8. Installation (1) pour la fabrication d'une préforme fibreuse (10) tissée imprégnée d'une résine précurseur de matrice, comprenant : un métier à tisser (20), une enceinte (30) dans laquelle sont stockés des fils ou torons (41) imprégnés de résine, l'enceinte étant configurée pour alimenter le métier à tisser en fils ou torons, caractérisée en ce que la température à l'intérieur de l'enceinte est comprise entre la température de transition vitreuse Tg° de la résine à l'état cru et Tg°+10°C. 9. Installation selon la revendication 8, dans laquelle le métier à tisser (20) est dans l'enceinte (30).