Brevet FR3055570A1 — publié le 20180309

DISPOSITIF MULTICOUCHE AVEC PEAU METALLIQUE DE MOULE, ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF MULTICOUCHE La présente invention concerne un dispositif multicouche de moule, ledit dispositif multicouche étant constitué d'une structure en matériaux composites associée à au moins une peau métallique mince La présente invention concerne également un procédé de fabrication dudit dispositif multicouche avec peau métallique. De manière avantageuse et non limitative, l'invention trouve son application dans le domaine des moules rigides à forte durabilité de surface intégrant un chauffage endogène pour la réalisation de pièces polymères et composites en grande série. Etat de l'art antérieur Les pièces composites à matrices organiques thermodurcissables sont obtenues au moyen d'un moule. Il existe à ce jour plusieurs types de moules, notamment des moules métalliques ou composites. Les moules métalliques sont obtenus par usinage dans la masse ou de bruts de fonderie, ou encore par l'assemblage de tôles mécanosoudées. Les moules métalliques sont relativement lourds et couteux, ceux-ci pouvant peser plusieurs dizaines de tonnes. En outre, l'utilisation de ce type de moule entraine une grande consommation d'énergie pour réaliser des pièces composites. En effet, les moules métalliques tendent à uniformiser la température de la surface moulante mais présentent aussi des inerties thermiques importantes. Un chauffage de la peau du moule est possible par induction mais celle-ci constitue un surcout pour sa mise en oeuvre. Les moules composites sont une solution aux différents inconvénients rencontrés pour les moules métalliques. Cependant, du fait de leur manque de dureté, ils ne sont pas adaptés aux grandes séries. En effet, ce manque de dureté rend la surface utile du moule fragile, celle-ci craquant ou s'écaillant, ce qui nuit à sa durée de vie ainsi qu'à l'état de surface de la pièce moulée. Il existe déjà des moules hybrides avec une structure en matériaux composites dont la surface utile porte un revêtement nanocristallin consistant en un alliage fer/nickel. Ces propriétés permettent à l'outil de moulage composite d'atteindre une durée de vie comparable à celle des moules métalliques traditionnels. Cependant, le procédé de revêtement est très long et très coûteux. Il existe également des moules hybrides qui sont réalisés par dépôt de poudres métalliques à la surface du maître-modèle avant la réalisation de la peau en matériaux composites du moule, ce qui lui confere 3055570 2 une grande dureté de surface. Cependant, cette technique nécessite la fabrication d'un maître modèle couteux. Objet de l'invention La présente invention concerne un dispositif multicouche avec peau métallique d'un moule qui permet 5 de pallier les inconvénients précités. L'invention constitue un perfectionnement des moules en matériaux composites, de par la dureté de surface obtenue grâce à la présence de la peau métallique. En outre, dans une réalisation préférentielle où le dispositif multicouche avec peau métallique est associé à un système chauffant endogène présent sur le moule, notamment celui mis en oeuvre dans le brevet FR2956555B1, la présente invention offre une technologie concurrente des moules chauffants 10 métalliques, avec un coût d'investissement et de consommation d'énergie nettement plus faible, tout en ayant une durée de vie comparable. En effet, la faible inertie thermique de ce moule est favorable à la fabrication de pièces à cadence élevée. Par ailleurs, la présente invention concerne également un procédé de fabrication simplifié de ce dispositif multicouche avec peau métallique, ledit procédé permettant notamment de s'affranchir de la 15 fabrication d'un maître modèle, ce qui le rend moins coûteux que les solutions de moules hybrides métallo-composite selon l'art antérieur. Résumé de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif multicouche d'un moule, du type moule hybride métallo-composite, le dispositif multicouche comprenant au moins une structure de renfort en 20 matériaux composites qui comporte au moins une couche de renfort. Le dispositif multicouche comprend également une couche de surface active de forme complexe développable ou non, cette couche de surface active étant agencée sur la structure de renfort et permettant de définir une face fonctionnelle sur un côté externe dudit dispositif. De manière remarquable, la couche de surface active est constituée d'une peau métallique, ladite 25 forme complexe étant obtenue directement par formage de la peau métallique. La mise en oeuvre d'une peau métallique sur le dispositif multicouche servant directement de face fonctionnelle, permet avantageusement la fabrication de très grandes séries de pièces composites en s'affranchissant des risques de dégradation de ladite face fonctionnelle dues à la fabrication en série. Dans une mise en oeuvre préférentielle du dispositif multicouche de moule selon l'invention, celui-ci 30 intègre au moins un système chauffant endogène. Cet au moins un système chauffant endogène permet de réduire fortement la consommation d'énergie utilisée pour la cuisson durant la fabrication d'une pièce composite, en comparaison des systèmes chauffants exogènes du type autoclave ou étuve. De 3055570 3 préférence, ce système chauffant endogène comprend au moins un réseau chauffant résistif noyé dans une résine, ladite résine étant liée à la structure en matériaux composites et participant à la structure même du composite. Cette conception assure une adhésion remarquable du réseau chauffant à la structure de renfort. De préférence, le réseau chauffant résistif comprend une âme isolée 5 électriquement en fibre sèches, ladite âme étant apte à être imprégnée par de la résine, un fil résistif enroulé autour de l'âme et une alimentation électrique raccordée au fil résistif. Ce fil résistif peut être revêtu d'une gaine de fibre sèche, dans une variante. Dans une réalisation préférentielle du dispositif multicouche selon l'invention, la structure en matériaux composites comprend au moins deux couches de renfort. 10 Dans une réalisation du dispositif multicouche selon l'invention, celui-ci comprend une structure de raidisseurs, ladite structure étant agencée sur ledit dispositif, du côté opposé à la face fonctionnelle. Cette structure de raidisseur sera adaptée en fonction du niveau de contraintes appliqué sur le moule pendant la phase d'exploitation. L'invention n'exclut pas la mise en oeuvre d'un dispositif multicouche comprenant plusieurs structures 15 de renfort et/ou plusieurs systèmes chauffants endogènes. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif multicouche d'un moule. Le procédé comprend les étapes suivantes : - de formage de la peau métallique pour la création d'une forme complexe permettant de définir une face fonctionnelle sur un côté externe dudit dispositif ; 20 - de dépose d'au moins une couche de renfort, de préférence d'au moins deux, sur un côté de la peau opposé à ladite face fonctionnelle, ladite peau métallique constituant un maître modèle audit dispositif multicouche ; - de cuisson de l'ensemble pour durcir ladite au moins une couche de renfort. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape de réalisation d'aménagements dans 25 la peau métallique, tels que des rainures d'étanchéité, des vides, des alimentations en résine et/ou ou des marquages de positionnement précis. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape d'intégration d'inserts sur la peau métallique, tels que des évents et/ou des connexions de mise au vide ou d'alimentation de résine. Cette étape d'intégration est réalisée par soudage ou par tout autre moyen d'assemblage garantissant 30 l'étanchéité entre l'insert et la peau métallique. 3055570 4 Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape d'intégration d'inserts de guidage sur la peau métallique, pour apporter des fonctionnalités de guidage. Cette étape est réalisée par soudage ou tout autre moyen d'assemblage. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape de dépose d'une couche intégrant un 5 système chauffant endogène, sur l'au moins une couche de renfort. De préférence, en la présence d'un tel système chauffant endogène, on réalise l'étape de cuisson de l'ensemble du dispositif multicouche au moyen dudit système chauffant endogène. De préférence, le procédé comprend la dépose de plusieurs couches de renfort entre lesquelles est intercalé le système chauffant endogène. Selon l'invention, le procédé de fabrication comprend une étape d'aménagement d'une structure de 10 raidisseurs sur un côté opposé audit côté externe. Dans une réalisation préférentielle du procédé de fabrication, l'étape de création de la peau métallique est mise en oeuvre par formage incrémental. Cette technique de formage permet une réduction des coûts par l'absence d'outillage spécifique (pas besoin de maître modèle) ainsi qu'une quantité de matière première engagée réduite au minimum. On peut toutefois envisager tout autre procédé de 15 formage, selon les types de métaux utilisés pour la conception de cette peau métallique. L'invention permet ainsi la mise en oeuvre d'un moule hybride métallo-composite, intégrant préférentiellement au moins un système chauffant endogène. Les caractéristiques essentielles du dispositif multicouche intégrant, par ailleurs, au moins un système chauffant endogène et celles du procédé de fabrication dudit dispositif multicouche se retrouvent dans le brevet FR2956555B1, la 20 différence essentielle par rapport audit brevet FR2956555B1 étant de remplacer la couche de surface en matériau thermodurcissable, plus couramment appelée « gelcoat », par une peau métallique constituant ladite couche de surface, afin d'obtenir un moule chauffant rigide de géométrie tridimensionnelle complexe dotée d'une face fonctionnelle d'une dureté de surface importante, ce qui permet d'assurer la durabilité du moule pendant toute la phase d'exploitation. En outre, la présence de 25 cette peau métallique permet de remplacer le maître modèle nécessaire selon l'art antérieur pour fabriquer le dispositif multicouche. Brève description des figures La présente invention sera mieux comprise à la lecture d'un exemple détaillé de réalisation en référence aux dessins annexés, fournis à titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels : 30 - la figure 1 représente un premier exemple de réalisation de la peau métallique de forme complexe ; 3055570 5 - la figure 2 représente un détail de cette peau correspondant à une intégration des fonctions d'étanchéité, de canaux d'alimentation en résine, de repositionnement de deux demi-moules, par un marquage local précis ; la figure 3 présente l'intégration d'inserts permettant des connexions ou des évents ; 5 la figure 4 présente l'intégration d'inserts permettant une fonctionnalité de guidage ; la figure 5 présente une vue en coupe des différentes couches constituant le dos composites intégrant un système de réseaux chauffants ; - la figure 6 présente les dispositifs complémentaires pouvant être installés au dos du demi-moule ; 10 - la figure 7 présente l'assemblage de deux demi-moules réalisés suivant cette technique ; - la figure 8 présente une réalisation d'un cordon chauffant d'un réseau chauffant résistif. Description détaillée des figures Les figures 5 et 6 illustrent un dispositif multicouche 1 d'un moule 100 dans son ensemble. L'idée de base de l'invention est de réaliser dans un premier temps la peau métallique 2, illustrée en figures 1 à 15 4, correspondant à la surface active du dispositif multicouche 1. L'obtention de la forme de cette peau métallique 2 se fera préférentiellement par formage incrémental d'une tôle, technique connue de l'homme du métier du formage des tôles. Cette technique permet l'obtention de pièces métalliques de type coque mince de géométries complexes. Le formage incrémental de la peau métallique 2 permet la réalisation d'une face fonctionnelle 2a de géométrie complexe constituant le négatif des pièces 20 composites à fabriquer au moyen dudit moule 100. Tel qu'illustré en figure 2, le formage incrémental de la peau métallique permet également d'intégrer directement des formes permettant des fonctions complémentaires comme des rainures d'étanchéités 3, les canaux d'injection de résine 4 ou des marquages 5 de repositionnement de parties de moules entre elles. 25 Tel qu'illustré en figure 3, il est également possible d'intégrer des inserts 6 par soudage ou tout autre procédé de liaison étanche, pour apporter des fonctionnalités comme des évents ou des connexions 7 de mise au vide ou d'alimentation de résine. Tel qu'illustré en figure 4, il est également possible d'intégrer des inserts de guidage 8 par soudage, pour apporter des fonctionnalités de guidage 9, notamment lors de la coopération de deux dispositifs 30 multicouches 1, 1' constituant deux parties assemblées entre elles pour la formation d'une variante de moule 100. Une fois que la peau métallique 2 est réalisée, elle servira comme surface fonctionnelle, donnant la forme à la pièce composite fabriquée. Tel qu'illustré en figure 5, le dispositif multicouche 1 est 3055570 6 constitué de l'assemblage de cette peau métallique 2 et d'une structure de renfort 10 comprenant deux couches de renfort 10a, 10b en matériaux composites entre lesquelles, de préférence, est intégré un réseau chauffant 11 de type résistif fabriqué conformément au brevet FR2956555B1. Tel qu'illustré en regard des figures 5, 6 et 8, ce réseau chauffant 11 comprend un cordon 200 qui 5 comporte un fil résistif 201 entourant une âme 202 isolée électriquement, cette âme 202 étant constituée de fibres sèches formées comme une mèche. Le fil résistif 201 est raccordé électriquement au moyen d'un câble de connexion (non illustré). L'âme 202 constitue un support pour une résine d'imprégnation 203 qui permet d'assurer l'adhésion du cordon 200 avec les couches de renfort 10a, 10b elles-mêmes pré-imprégnées de résine. Le cordon 200 peut éventuellement comporter, en 10 complément, une gaine 204 de fibre sèche entourant ledit fil résistif 201 et apte à être imprégnée par la résine 203. Le choix d'intégrer ou non cette gaine 204 dépendra notamment de la conductivité électrique des couches de renforts 10a, 10b, selon la matière composite utilisée pour celles-ci. Le cordon 200 est assujetti à un tissu sec 205 par couture 206. Ce tissu sec 205 est réalisé avantageusement en un matériau composite fibreux identique à celui utilisé pour les couches de 15 renforts 10a, 10b. A titre d'exemple, le tissu sera réalisé en fibres de verre, en fibres de carbone ou encore en fibres thermoplastiques. Des variantes de mise en oeuvre du dispositif multicouche sont envisageables avec plus de deux couches de renforts et deux réseaux chauffants séparés entre eux par au moins une couche de renforts, une telle mise en oeuvre apparaissant dans le brevet FR2956555B1. Dans cette configuration, la peau métallique 2 permet avantageusement d'éliminer les charges 20 statiques, ce qui permet de s'affranchir de l'utilisation d'un grillage métallique comme celui prévu dans le brevet FR2956555B1. Le dispositif multicouche 1, comprenant les couches de renfort 10a, 10b en fibres composites, le réseau chauffant 11 et la peau métallique 2, sera alors placé sous une bâche à vide avec l'ensemble du dispositif nécessaire à une imprégnation par infusion, par exemple, voire par tout autre procédé 25 équivalent. Suite à cette infusion, la polymérisation de la résine à très basse température permet de maintenir la géométrie de la peau métallique constante pendant cette phase. La post-cuisson est ensuite effectuée grâce au réseau chauffant 11, en utilisant une rampe de montée en température suffisamment faible pour que les matériaux composites conservent leur caractère structurant, de manière à ne pas perdre la qualité géométrique du moule. 30 Tel qu'illustré en figure 6, une structure de raidisseurs 13 constituée d'un renforcement de type structure sandwich 13a, 13b, peut être rajoutée sur la structure de renfort 10 du côté interne du dispositif multicouche 1 ainsi réalisé, c'est-à-dire du côté opposé à la peau métallique 2. Le dispositif multicouche 1 peut être utilisé pour la réalisation de pièces en matériaux composites par infusion ou tout autre procédé. Il peut également être associé à un second dispositif 3055570 7 multicouche 1' de conception similaire à celle décrite précédemment, le tout réalisant un moule 100 fermé pour des opérations d'injection de pièces de plasturgie ou de composites à matrice polymère, tel qu'illustré en figure 7. La description qui précède d'un mode préférentiel de réalisation n'a aucun caractère limitatif 5 De nombreuses variantes sont envisageables en modifiant le nombre de couches de renfort et le nombre de réseaux chauffants résistifs. Des variantes de réseaux chauffants sont également envisageables sans sortir du cadre de l'invention. On peut également envisager la mise en oeuvre d'un dispositif multicouche selon l'invention en l'absence de réseau chauffant, sans modifier les effets bénéfiques de la présence d'une peau 10 métallique sur ledit dispositif multicouche. Dans quel cas il conviendrait de prévoir un système chauffant exogène. REVENDICATIONS1. Dispositif multicouche (1, 1') d'un moule (100) comprenant une structure de renfort (10) en matériaux composites comportant au moins une couche de renfort (10a, 10b), et une couche de surface active de forme complexe agencée sur la structure de renfort et permettant de définir une face fonctionnelle (2a) sur un côté externe dudit dispositif, caractérisé en ce que la couche de surface active est constituée d'une peau métallique (2), ladite forme complexe étant obtenue directement par formage de la peau métallique. 2. Dispositif multicouche (1, 1') selon la revendication 1, lequel intègre un système chauffant endogène (11). 3. Dispositif multicouche (1, 1') selon la revendication 2, dans lequel le système chauffant endogène comprend un réseau chauffant résistif (11) noyé dans une résine (203), ladite résine étant liée à la structure de renfort (10) en matériaux composites. 4. Dispositif multicouche (1, 1') selon la revendication 3, dans lequel le réseau chauffant résistif (11) comprend une âme (202) isolée électriquement en fibre sèches, ladite âme étant apte à être imprégnée par de la résine (203), un fil résistif (201) enroulé autour de l'âme et une alimentation électrique raccordée au fil résistif. 5. Dispositif multicouche (1, 1') de moule selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la structure de renfort (10) en matériaux composites comprend au moins deux couches de renfort (10a, 10b). 6. Dispositif multicouche (1, 1') selon l'une des revendications précédentes, lequel comprend une structure de raidisseurs (13) agencée sur ledit dispositif, du côté opposé à la face fonctionnelle (2a). 7. Procédé de fabrication d'un dispositif multicouche (1, 1') d'un moule (100), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : de formage de la peau métallique (2) pour la création d'une forme complexe permettant de définir une face fonctionnelle (2a) sur un côté externe dudit dispositif; de dépose d'au moins une couche de renfort (10a, 10b) sur un côté de la peau métallique (2) opposé à ladite face fonctionnelle (2a), ladite peau métallique constituant un maître modèle ; de cuisson de l'ensemble pour durcir ladite au moins une couche de renfort (10a, 10b). 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, lequel comprend une étape de réalisation d'aménagements dans la peau métallique, tels que des rainures d'étanchéité (3), des vides, des alimentations en résine (4) et/ou ou des marquages de positionnement précis (5). 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 ou 8, lequel comprend une étape d'intégration d'inserts (6) sur la peau métallique (2), tels que des évents et/ou des connexions de mise au vide ou d'alimentation de résine. 3055570 9 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 9, lequel comprend une étape d'intégration d'inserts de guidage (8) sur la peau métallique (2). 11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 10, lequel comprend une étape de dépose d'une couche intégrant un système chauffant endogène (11), sur l'au moins une 5 couche de renfort (10a). 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, dans lequel on réalise l'étape de cuisson de l'ensemble du dispositif multicouche (1, 1') au moyen dudit système chauffant endogène (11). 13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 12, lequel comprend une 10 étape d'aménagement d'une structure de raidisseurs (13) sur un côté opposé audit côté externe. 14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel l'étape de création de la peau métallique (2) est mise en oeuvre par formage incrémental.