Brevet FR3053624A1 — publié le 20180112

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, des ferrures par exemple. On sait que le point faible d'une pièce en matériau composite est la matrice, thermoplastique ou thermodurcissable, dans laquelle sont noyées les fibres de renfort, et qui consiste généralement en une résine, car elle a une résistance spécifique très inférieure à celle des fibres. Le mode de ruine d'une pièce en composite est généralement une rupture de la résine liant les fibres. Une bonne conception d'une pièce composite prend en compte ce phénomène et privilégie une transmission des efforts par la mise en traction ou en compression pure des fibres ce qui a pour effet de ne pas solliciter la résine. Ainsi, le matériau composite est constitué de couches de fibres orientées dans la direction desdits efforts ou dans des directions proches. Afin d'optimiser la tenue mécanique de la pièce à réaliser, il est également nécessaire d'éviter d'avoir les fibres 20 composites plissées ou non rectilignes. On sait aussi fabriquer des pièces en matériau composite telles que des ferrures, par une opération de drapage de semi-produits sous forme de tissus ou de nappes. On sait également, notamment par le document EP 2 379 313, utiliser des formes 25 géométriques non planes pour donner de la résistance et de la rigidité à la pièce. L'inconvénient de l'usage conjoint de formes non planes et de semi-produits de nappes ou de tissus est qu'il est difficile de forcer ces semi-produits à prendre ces formes tout en garantissant l'homogénéité du résultat final. 30 Plus particulièrement, la mise en forme tridimensionnelle des nappes ou des tissus provoque le plissage des fibres, ce qui est préjudiciable à une bonne résistance de la pièce finale. Par ailleurs, les pièces composites fabriquées selon ce procédé sont principalement de formes globalement planes, ou 35 plus exactement d'épaisseur constante, et elles peuvent difficilement être de forme géométrique complexe tout respectant 3053624 2 une maitrise de l'orientation et de la qualité du fibrage, et cela tout en restant de fabrication économiquement intéressante. On sait aussi réaliser des pièces composites par enroulement filamentaire sur un mandrin fusible ou amovible par 5 exemple. Une des particularités de ce mode de réalisation est qu'il conduit à une dépose de fibre identique quelle que soit la section d'enroulement. De ce fait, l'usinage des extrémités des bruts obtenus par enroulement filamentaire conduit à avoir une réduction de la section résistante des extrémités. 10 On sait ainsi réaliser un enroulement de fibres pré- imprégnées autour de deux axes distants, pour réaliser un écheveau. Cependant, les fibres ne s'enroulent pas de manière ordonnées, car le foisonnement des fibres conduit à une augmentation d'épaisseur au niveau des axes, un gonflement 15 transversal dans la partie médiane, et un comblement de l'espace entre les axes, associé à un plissement des fibres dans cette zone, ce qui est très éloigné du résultat recherché. L'un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, qui permet de pallier les inconvénients précités, en optimisant l'orientation et la mise en rectitude des fibres au sein de ladite pièce. Par ailleurs, dans le domaine de la fabrication de pièces en matériau composite, on utilise des « patchs », soit dans un but de réparation d'une pièce endommagée, soit comme cela ressort du document WO 2012032049 par exemple, dans le but de réaliser des surépaisseurs à des emplacements précis qui le nécessitent, sur une pièce en matériau composite réalisée par tressage sur un mandrin. Ces patchs organisent l'orientation locale des fibres d'une pièce à rapporter sur la pièce principale afin d'améliorer les performances mécaniques locales. Ce type de patchs est généralement produit sur des machines sophistiquées ayant une productivité peu élevée. D'autre part ils sont souvent définis 3053624 3 pour une capacité de résistance homogène dans toutes les directions planes. Un autre but de la présente invention est donc de proposer une solution technique à la réalisation de patchs pour pièces 5 composites dans un but d'une économie de production, et d'optimisation de la résistance dans une direction privilégiée et pour les deux sens. Le procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou 10 thermodurcissable renforcée de fibres selon l'invention, se caractérise en ce qu'il comprend successivement : - une phase de réalisation d'une préforme par enroulement de fibres pré-imprégnées autour d'au moins deux axes distants, 15 - une phase de compactage de ladite préforme, réalisée au niveau d'au moins l'un desdits axes distants, et de direction parallèle audit au moins un axe, et - une phase de moulage et de polymérisation dans des conditions particulières de température et de pression 20 adaptées au matériau composite utilisé. L'opération de compactage réduit l'épaisseur de la préforme au profit des dimensions dans les deux autres directions perpendiculairement aux axes d'enroulement. Dans la zone d'enroulement autour des axes, le compactage 25 conduit à une augmentation du diamètre extérieur de la préforme et donc par conséquence indirecte, à la mise en tension de la zone rectiligne qui demande à être réalignée. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise la phase de compactage alors que la 30 préforme est maintenue sur les axes d'enroulement, ou bien sur un outillage qui les matérialise. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise la phase de compactage par le rapprochement l'un de l'autre de deux flasques entre lesquels 35 est réalisé l'enroulement. 3053624 4 Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise l'enroulement entre deux flasques qui présentent des faces en regard conformées pour générer des écartements variables, en sorte que la phase de compactage soit 5 obtenue par le placement forcé des fibres entre lesdits flasques. Ainsi, on utilise des supports d'enroulement qui permettant de diriger la forme globale de la préforme issue de l'enroulement. 10 Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, la phase de compactage est précédée d'une phase de mise en tension des fibres au travers d'au moins une opération de pression exercée sur les fibres selon une direction perpendiculaire à la direction desdites fibres et à au moins un 15 axe d'enroulement. La présente invention n'est pas limitée à la réalisation de préformes obtenues par enroulement. Elle a ainsi également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice 20 thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, qui se caractérise en ce qu'il comprend successivement : - une phase de réalisation d'une préforme par superposition et/ou juxtaposition de fibres pré-imprégnées unidirectionnelles, 25 - une phase de compactage de ladite préforme, selon une direction perpendiculaire au sens d'alignement des fibres, et - une phase de moulage et de polymérisation dans des conditions particulières de température et de pression 30 adaptées au matériau composite utilisé. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, la phase de compactage est suivie : - d'une phase de découpe de la préforme, puis - d'une phase de mise en forme de ladite préforme 35 découpée, ou d'une ou des parties issues de ladite phase de découpe de la préforme, 3053624 5 - une phase de mise en tension de ladite préforme découpée ou d'une ou des parties issues de ladite phase de découpe de la préforme, au moins dans les zones bordées par les lignes de découpe. 5 Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, il comporte en outre, simultanément à la phase de mise en forme de la préforme découpée ou des parties de ladite préforme découpée, une phase de recouvrement, au moins partiel, des parties de ladite préforme ou des parties de ladite 10 préforme découpée, au moins dans les zones bordées par les lignes de découpe, et au niveau de ces lignes de découpe. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, la phase de mise en forme de la préforme découpée ou des parties de ladite préforme découpée, est 15 réalisée dans un moule, tandis que la phase de mise en tension est réalisée par mise en pression de ladite préforme découpée ou des parties de ladite préforme découpée contre le moule au travers d'un corps mis en expansion à l'intérieur de ladite préforme découpée et mise en forme. 20 Les pièces composites réalisées selon l'invention, sont constituées d'assemblage de couches de tissus ou de nappes de fibres et de patchs, ledit assemblage étant ensuite polymérisé dans un moule permettant la mise sous pression, mécanique par des rapprochements de surfaces dans le moule ou sous autoclave. 25 La mise en forme peut être complétée par le gonflement d'une vessie par exemple. Les avantages et les caractéristiques du procédé selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente 30 plusieurs modes de réalisation non limitatifs. Dans le dessin annexé : - les figures la, lb et le représentent des vues schématiques illustrant des étapes du procédé selon l'invention. - les figures 2a et 2b représentent des vues schématiques 35 illustrant les premières étapes de fabrication d'une bielle selon le même procédé. 3053624 6 - les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e, représentent des vues illustrant des étapes successives suivantes de fabrication de la bielle. - les figures 4a et 4b représentent des vues, respectivement 5 en perspective avec écorché partiel et de profil, d'un outil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. - la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale du même outil en cours d'utilisation. - la figure 6 représente une vue en plan de la préforme 10 obtenue avec le même outil. - les figures 7, 8 et 9 représentent des vues illustrant des étapes successives de traitement de la préforme. - les figures 10a, 10b et 10c représentent des vues partielles en perspective illustrant des étapes 15 successives de fabrication d'une pièce en composite, en l'occurrence une bielle. - la figure 12 représente une vue schématique partielle, illustrant une variante du procédé tel qu'illustré par la figure 10b. 20 - les figures 12a, 12b et 12c représentent des vues en perspective illustrant des étapes successives de fabrication d'une pièce en composite en l'occurrence une ferrure. En référence aux figures la, lb et lc on peut voir que la 25 phase initiale du procédé selon l'invention consiste en une phase de réalisation d'une préforme par enroulement de fibres F pré-imprégnées autour d'au moins deux axes distants A et B. Lors de cet enroulement, on constate, comme cela est représenté sur la figure lb, un foisonnement des fibres au 30 niveau des parties rectilignes s'étendant entre les deux axes A et B. Lorsque l'on exerce une pression sur l'enroulement, au niveau des deux axes A et B, comme cela est représenté sur la figure lc, dans une direction parallèle à ces axes, on réduit 35 l'épaisseur de l'enroulement, on augmente le diamètre extérieur 3053624 7 au niveau des zones courbes, et on met en tension les zones rectilignes où les fibres sont réalignées. En référence à la figure 2a, on peut voir que selon une variante, pour la fabrication d'une bielle, on réalise une 5 sangle S par enroulement d'un pré-imprégné sur un gabarit 1 tout en étant pressé, dans une gorge périphérique 10 ménagée entre deux flasques latéraux 11 et 12, par un galet presseur G pour permettre de réaliser la cohésion d'une préforme P dans les parties concaves du gabarit 1. 10 Sur la figure 2b, on peut voir que cette préforme P est ensuite disposée dans un outillage 2, dont des éléments 20 et 21 viennent exercer un appui sur les zones concaves de la préforme P. Le compactage a pour effet l'augmentation de la dimension des formes convexes de la préforme P, ce qui conduit à la mise en 15 tension des fibres. En référence maintenant aux figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e, on peut voir que la préforme P ainsi obtenue est, dans un premier temps, figure 3a, associée à une autre préforme P2 réalisée par empilement de nappes, principalement 20 unidirectionnelles dans la direction de l'effort potentiel de compression de la pièce, puis complété par des couches de nappes de fibres se superposant à l'ensemble pour en assurer la cohésion, disposée intérieurement à la préforme, tandis que les éléments 20 et 21 d'outillage maintiennent la pression et qu'est 25 exercé le compactage. On notera que le compactage simultané de la préforme P et de la préforme P2 favorise le gonflement transversal des préformes P et P2 et donc leur liaison, en sorte d'obtenir un ensemble E de préformes P et P2. 30 Dans une étape suivante, figure 3b, tandis que des martyrs M sont substitués aux éléments d'outillage 20, on superpose plusieurs ensembles E de préformes P et P2, après intercalement de couches de cohésion C, le nombre de ces ensembles E étant fonction de l'épaisseur souhaitée de la pièce finale. 3053624 8 Après polymérisation, figure 3C, on usine des portées d'inserts, figure 3d, puis on y colle des inserts I, figure 3e, pour former les oeilletons, et ainsi obtenir une bielle. En référence maintenant aux figures 4a et 4 b, on peut voir 5 un support de bobinage 3 comprenant deux flasques 30 et 31 se faisant face, séparés par un espace 32, et entre lesquels s'étendent deux axes d'enroulement 33 et 34. Comme cela est plus particulièrement visible sur la figure 4b, l'espace 32 n'est pas de largeur constante, les faces en 10 regard 35 et 36 des deux flasques respectivement 30 et 31 n'étant pas parallèles ainsi l'espace 32 est plus étroit dans la partie médiane 37 que dans les parties extrêmes 38 et 39 comportant les axes 33 et 34, la variation étant matérialisée par une inclinaison par rapport au plan principal du flasque 15 concerné. En référence à la figure 5, on peut voir que lors de l'enroulement filamentaire les formes des faces 35 et 36 des flasques 30 et 31 forcent le placement des fibres, ainsi la préforme réalisée P3 présente une épaisseur plus importante au 20 niveau de ses parties extrêmes enroulées sur les axes 33 et 34, que dans sa partie médiane, laquelle est donc plus étalée en largeur puisqu'elle compte le même nombre de fibres, comme cela se retrouve sur la figure 6. Les figures 7, 8 et 9 illustrent une variante de 25 l'invention, selon laquelle on réalise une découpe de la préforme. Ainsi la préforme P3 de la figure 6 est coupée transversalement au niveau de sa partie médiane en sorte d'obtenir une préforme P4, figure 7, qui présente essentiellement une partie extrême où les fibres affectent une 30 forme courbe et sont concentrées dans un espace réduit et une autre partie extrême, du côté de la réalisation de la coupe, où les fibres sont droites et étalées transversalement sur une faible hauteur. Dans une étape suivant la préforme P4 est placée dans des 35 matrices de formage, figure 8, pour y être compactée en vue d'un réalignement des fibres, figure 9. 3053624 9 En référence maintenant aux figures 10a, 10b et 10c, on peut voir une variante du procédé selon l'invention, notamment en ce qui concerne la phase d'enroulement. Sur la figure 10a, on peut voir un support de bobinage 4 5 comprenant un flasque 40 duquel font saillie deux axes d'enroulement 41 et 42, dont les extrémités libres sont destinées chacune à recevoir une contre forme 43, permettant la maîtrise de la forme de l'enroulement autour des axes 41 et 42. La face interne 44 du flasque 40 présente un profil non 10 plan, adapté aux variations de forme, d'épaisseur et de répartition des fibres que l'on souhaite, est comporte aussi des aiguilles amovibles 45, plantées parallèlement aux axes d'enroulement 41 et 42, et qui sont destinées, lors de l'enroulement, figure 10b, à conditionner la concentration des 15 fibres en certains emplacements, ainsi qu'à favoriser leur orientation. On notera que dans le mode de réalisation représenté, la face interne 44 comporte dans sa zone médiane un renfoncement 46, dans lequel sont forcées les fibres lors de l'opération 20 d'enroulement, notamment sous l'impact du positionnement des aiguilles 45. On notera qu'il est possible d'utiliser les aiguilles 45 également comme axe d'enroulement afin d'organiser le faisceau de fibres de manière à optimiser le fibrage. 25 Les aiguilles 45 pourront avantageusement servir à la réalisation de fibrage complémentaire au fibrage principal de la préforme de manière à consolider sa cohésion. La préforme obtenue P5, présente des variations de forme et d'épaisseur locale conditionnées par les formes du flasque 40 et 30 des contre-formes 43, ainsi que de la disposition des aiguilles 45. L'enroulement robotisé se fait en adéquation avec le placement des aiguilles 45. La préforme P5 est ensuite compactée pour permettre le réalignement des fibres conjointement au serrage de la préforme 35 en vue de l'augmentation du taux de fibres par rapport à la résine. 3053624 10 Après les phases de mise en moule, de serrage, de polymérisation, la pièce obtenue est usinée pour enlever les parties inutiles et créer, dans le cas présent, des portées d'insert en vue du collage d'inserts pour former des oeillets. 5 Le forcement à l'enroulement dans des formes en creux du support ou par empilage local de fibre peut permettre la réalisation de patch à forte inertie de section droite, assurant une maîtrise de la flexion des dits patchs, participant ainsi à la tenue mécanique des pièces dans lesquelles s'insèrent les 10 patchs. Cet usage de patchs de formes complexes et d'épaisseur ou de section droite adaptée permet la réalisation de pièces de type ferrure ou extrémité de bielle pour un coût réduit et avec une maîtrise des problèmes de dépliage connus dans les pièces composites. 15 Sur la figure 10b, on peut constater que lors de l'enroulement, il se crée du côté intérieur des axes 41 et 42, un vide V, lié la largeur de l'axe et à la tension exercée sur la fibre, et susceptible de créer une faiblesse de la pièce. Pour pallier cet inconvénient, comme cela est visible sur la 20 figure 11, on utilise des aiguilles 46 que l'on plante alignées entre les deux axes 41 et 42, non visible sur la figure, et qui servent à réaliser un enroulement 47, interne à l'enroulement principal externe 48. Dans la pratique, les aiguilles 46 sont plantées une à une au fur et à mesure qu'est réalisé 25 l'enroulement 47, en commençant par l'aiguille 46 la plus éloignée de l'axe 41 ou 42. Le premier enroulement passant sur la première aiguille 46, le deuxième enroulement sur la deuxième aiguille 46 après mise en ace de celle-ci, le troisième enroulement sur la troisième aiguille 46 après mise en ace de 30 celle-ci, et ainsi de suite jusqu'à atteindre l'axe 41 ou 42. On obtient ainsi un comblement des espaces V, dans des zones de compression/traction. En référence maintenant aux figures 12a, 12b et 12c, on peut voir un autre cas de figure, pour la réalisation d'une 35 ferrure notamment, utilisant un support de bobinage 5 comportant trois axes d'enroulement 50, 51 et 52, non parallèles, destinés 3053624 11 à être associés chacun à une contre-forme non représentée, ainsi que des aiguilles amovibles 53. Après enroulement filamentaire, on obtient une préforme P6, visible sur la figure 12b, qui après compactage est destinée à 5 constituer un patch permettant par exemple la fabrication de la ferrure 6 en L représentée sur la figure 12c. Cette ferrure 6 comporte ainsi une âme constituée du patch 60 issu de la préforme P6, recouvert de deux peau, extérieure 61 et intérieure 62. Le patch 60 présente des zones plus épaisses 10 que d'autres aux emplacements nécessitant plus de résistance au pliage et/ou au dépliage. On notera que pour compenser les différences d'épaisseur du patch 60, dans un but de faciliter les assemblages, un matériau de remplissage 63 est disposé entre la ou les peaux 61 et 62 et 15 le patch 60. On comprendra qu'une telle ferrure 6, qui présente des zones d'épaisseurs variées résultant d'une plus forte concentration de fibres de renfort, ne peut pas être fabriquée avec les procédés existants, lesquels ne pourraient permettre de 20 faire varier l'épaisseur qu'en faisant varier la quantité de résine ce qui n'a aucun effet sur la résistance de la ferrure. REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, caractérisé en ce qu'il comprend successivement : - une phase de réalisation d'une préforme (P ; Pl ; P2 ; P3 ; P4 ; P5 ; P6) par enroulement de fibres pré-imprégnées (F) autour d'au moins deux axes distants (A, B ; 33, 34 ; 41, 42 ; 50, 51, 52 ; 45), - une phase de compactage de ladite préforme (P ; Pl ; P2 ; P3 ; P4 ; P5 ; P6), réalisée au niveau d'au moins l'un desdits axes distants (A, B ; 33, 34 ; 41, 42 ; 50, 51, 52 ; 45), et de direction parallèle audit au moins un axe, et - une phase de moulage et de polymérisation dans des conditions particulières de température et de pression adaptées au matériau composite utilisé. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la phase de compactage alors que la préforme (P ; Pl ; P2 ; P3 ; P4 ; P5 ; P6) est maintenue sur les axes d'enroulement (A, B ; 33, 34 ; 41, 42 ; 50, 51, 52 ; 45), ou bien sur un outillage (20 ; M) qui les matérialise. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise la phase de compactage par le rapprochement l'un de l'autre de deux flasques (11, 12) entre 25 lesquels est réalisé l'enroulement. 4) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise l'enroulement entre deux flasques (30, 31 ; 40, 43) qui présentent des faces (35, 36 ; 44) en regard conformées pour générer des écartements variables, 30 en sorte que la phase de compactage soit obtenue par le placement forcé des fibres, entre lesdits flasques (30, 31 ; 40, 43). 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la phase de compactage est précédée 3053624 13 35 d'une phase de mise en tension des fibres (F) au travers d'au moins une opération de pression exercée sur les fibres (F) selon une direction perpendiculaire à la direction desdites fibres (F) et à au moins un axe d'enroulement (A, B ; 33, 34 ; 41, 42 ; 50, 51, 52 ; 45). 40 6) Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, caractérisé en ce qu'il comprend successivement : - une phase de réalisation d'une préforme par 45 superposition et/ou juxtaposition de fibres pré- imprégnées unidirectionnelles (F), - une phase de compactage de ladite préforme, selon une direction perpendiculaire au sens d'alignement des fibres, et 50 - une phase de moulage et de polymérisation dans des conditions particulières de température et de pression adaptées au matériau composite utilisé. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la phase de compactage est suivie : 55 - d'une phase de découpe de la préforme (P3), puis - d'une phase de mise en forme de ladite préforme découpée (P3), ou d'une ou des parties (P4) issues de ladite phase de découpe de la préforme (P3), - une phase de mise en tension de ladite préforme (P3) 60 découpée ou d'une ou des parties (P4) issues de ladite phase de découpe de la préforme (P3), au moins dans les zones bordées par les lignes de découpe. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, simultanément à la phase de mise en 65 forme de la préforme (P3) découpée ou des parties (P4) de ladite préforme (P3) découpée, une phase de recouvrement, au moins partiel, de parties de ladite préforme (P3) découpée ou des parties (P4) de ladite préforme (P3) découpée, au moins dans les zones bordées par les lignes de découpe, et au niveau de ces 70 lignes de découpe. 3053624 14 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la phase de mise en forme de la préforme (P3) découpée ou des parties (P4) de ladite préforme (P3) découpée, est réalisée dans un moule, tandis que la phase de mise en tension est réalisée 75 par mise en pression de ladite préforme (P3) découpée ou des parties (P4) de ladite préforme (P3) découpée contre le moule au travers d'un corps mis en expansion à l'intérieur de ladite préforme découpée et mise en forme.