Brevet FR3068284A1 — publié le 20190104

Procédé de fabrication de pièces composites thermodurcissables par formage de préformes fibreuses injectées ou infusées DOMAINE TECHNIQUE La présente invention appartient au domaine de la fabrication de pièces en matériaux composites, elle concerne plus particulièrement les procédés de moulage de composites par injection-infusion de résine thermodurcissable. La présente invention s'applique plus généralement aux domaines des composites textiles, des technologies de moulage de composites par injection de résine liquide, des procédés de formage des composites et des techniques de fabrication hors autoclave. ÉTAT DE L'ART Les procédés de moulage de composites par injection de résine polymère liquide (Liquid Composite Molding abrégé en LCM en terminologie anglo-saxonne) représentent une classe établie de techniques pour la fabrication de pièces structurales ou semi-structurales en matériaux composites à base de résine polymère renforcée par un renfort fibreux. Les variantes connues des procédés LCM partagent le même principe : une résine liquide est injectée dans un moule dans lequel une préforme fibreuse de fibres sèches a été placée préalablement, après infusion complète de la préforme, et après cuisson du mélange composite, c'est-à-dire après polymérisation finale de la résine, qui permet d'atteindre un état de rigidification optimal, une pièce composite est obtenue et peut être démoulée. Dans les industries aéronautiques et spatiales, la fabrication de structures composites de hautes performances moulées par injection liquide repose sur des technologies de grande complexité qui engendrent des coûts conséquents, en 25 partie à cause de l'utilisation de résines (classe 180°C) de températures de 2 transition vitreuse élevées comparées à celles utilisées dans l'industrie automobile par exemple, et de la haute exigence recherchée en matière de santé des pièces et de respect de la géométrie des structures fabriquées. De plus ces technologies s'adressent en général à des pièces d'épaisseurs importantes. 5 Ces différents aspects impliquent généralement : - Un outillage d'injection ou d'infusion complexe ; - Des cycles d'injection et de cuisson très longs ; - Une cuisson (polymérisation) finale sous pression des pièces ; - Un vieillissement prématuré de la résine à température ambiante 10 dans le cas de résines mono-composant usuellement utilisées dans le milieu aéronautique, d'où la nécessité de leur stockage dans des congélateurs avant utilisation ; - Des contraintes de fabrication dues à la reprise d'humidité des préformes textiles et de la résine avant injection ou infusion. 15 Au vu des complications ci-dessous énumérées, il est nécessaire de réaliser certaines étapes afin d'obtenir des pièces structurales de bonne qualité par les procédés LCM. Il s'agit principalement de : - Réaliser un drapage des différents plis de la préforme textiles ; - Mettre en place la préforme de la pièce structurale à fabriquer, 20 formée de plis textiles, dans le moule d'injection ; - Réaliser un compactage chaud, à moyenne jusqu'à haute température, de la préforme textiles 3D, qui peut être difficile, long et coûteux selon la nature des textiles utilisés ; - Utiliser des moules d'injection de géométrie complexe, en blocs, afin de limiter les effets de la dilatation des pièces, du retrait de la résine et des fuites éventuelles durant l'opération d'injection ; - Contrôler les problèmes exothermiques liés aux pièces épaisses ; - Contrôler les gradients thermiques dans le cas des pièces larges ; - Opérer systématiquement des contrôles non destructifs des pièces fabriquées, afin de de détecter tout problème d'injection ; - Effectuer une cuisson complète, ou post cuisson, des pièces à haute température, généralement sous pression au sein du moule afin de 3 limiter la formation et la croissance de porosités dans lesdites pièces ; - Contrôler la phase de refroidissement pour éviter l'apparition d'importantes contraintes thermiques et mécaniques résiduelles 5 dans la structure, pouvant amener la création de défauts géométriques ou de porosités et délaminages. Les procédés LCM conventionnels présentent donc de nombreuses limitations et des inconvénients majeurs en termes d'efficacité et de rapidité. Il s'avère donc primordial dans certaines industries à forts coûts récurrents 10 d'adopter des procédés innovants qui dérivent du procédé LCM et qui permettent de réduire les coûts de fabrication de la majorité des pièces structurales produites dans ces industries. PRÉSENTATION DE L'INVENTION 15 La présente invention a pour but principal de pallier les limitations de l'art antérieur en simplifiant le procédé et la chaine de fabrication de pièces structurales en matériaux composites par injection-infusion de résine liquide, tout en améliorant la qualité des pièces fabriquées et en réduisant le temps et le coût de production, et décrit un procédé de réalisation d'une pièce structurale en 20 matériau composite par injection-infusion d'une résine dans un renfort fibreux. Le procédé est remarquable en ce qu'il comporte dans l'ordre les étapes suivantes : - une étape d'injection-infusion de la résine dans une préforme plane ; - une étape de cuisson partielle de la préforme injectée-infusée 25 jusqu'à un taux de réticulation de la résine en dessous d'un point de gélification de ladite résine ; - une étape de formage de la préforme injectée-infusée précuite jusqu'à obtention d'une forme finale de la pièce composite structurale ; 30 - une étape de cuisson complète hors autoclave de la pièce structurale formée pour obtenir un taux de polymérisation déterminé de la 4 résine, permettant d'obtenir des propriétés mécaniques et thermomécaniques optimales. Avantageusement, l'étape d'injection-infusion de la résine dans la préforme plane est réalisée à une température basse à moyenne comparée à une 5 température de cuisson complète de la pièce structurale. Selon un mode de réalisation avantageux, la résine thermodurcissable est polymérisée à un taux, en dessous d'un point de gélification de la résine, compris entre 25% et 50% suivant le comportement chimio-rhéologique de la résine, à l'étape de cuisson partielle de la préforme textiles plane injectée. 10 En outre, l'étape de cuisson partielle de la préforme plane injectée est réalisée à une température égale ou proche d'une température d'injection de la résine à l'étape d'injection. De la même façon, le formage de la préforme précuite est réalisé à une température basse à moyenne comparée à une température de cuisson complète 15 de la pièce composite structurale. A titre d'exemple, l'étape de cuisson complète hors autoclave est réalisée sous vide dans un four conventionnel. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape de mise en place et de compactage de la préforme plane avant l'étape d'injection de la résine 20 dans ladite préforme, et une étape de stockage à température ambiante de la pièce structurale, obtenue après formage, avant l'étape de cuisson complète de ladite pièce structurale. De préférence la préforme plane est de nature textiles, et la résine est une résine thermodurcissable. 25 L'étape de formage de la préforme injectée est par exemple réalisée â l'aide d'une presse, ou d'un procédé de formage type diaphragme, ou de procédés de formage en continu, type pultrusion ou roulage (roll-forming). L'invention concerne également une pièce structurale en matériau composite, de géométrie tridimensionnelle, fabriquée par le procédé tel que décrit. 5 Une telle pièce peut être un raidisseur à profil en 0, en U, en L, ...etc., mais aussi un longeron, une poutre quelconque, des éléments de nervures par exemple. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus 5 dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisations d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite et d'une pièce obtenue par ledit procédé conformes aux principes de l'invention. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les différentes figures ainsi que les éléments d'une même figure ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle. Sur l'ensemble des figures, les éléments identiques portent le même repère. 15 Il est ainsi illustré en : Figure la : une vue en perspective d'une préforme plane selon l'invention ; Figure lb : une vue en perspective d'une pièce structurale obtenue à partir de la préforme de la figure la par le procédé de l'invention ; Figure 2 : un schéma des principales étapes du procédé selon l'invention ; 20 Figure 3 : les étapes du procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION La présente invention décrit une nouvelle approche d'exécution du procédé LCM pour la fabrication d'une pièce structurale en matériau composite à base 25 d'une résine, de préférence thermodurcissable, et d'un renfort fibreux. Le procédé selon l'invention est principalement destiné à la fabrication d'éléments de sous structures, des raidisseurs par exemple, de structures dites raidies, très courantes dans l'industrie, et notamment dans la construction aéronautique et spatiale. Ces structures confèrent les tenues mécaniques 30 désirées tout en limitant l'encombrement et la masse totale des assemblages. On les retrouve ainsi couramment sous forme de panneaux composites raidis dans des tronçons de fuselages d'aéronefs par exemple. 6 Cette application ne constitue qu'un exemple pour la mise en oeuvre du procédé et ne saurait être limitative de la portée de l'invention. Le procédé tel qu'il sera décrit est aisément transposable à la fabrication d'autres types de pièces structurales composites, non raidies, dans d'autres secteurs industriels. 5 Dans la suite, toute pièce structurale en matériau composite fabriquée par un procédé de moulage par injection-infusion de résine liquide sera désignée pièce composite injectée-infusée, ou structure LCM. Il est à noter que les expressions « pré cuisson » et « post cuisson » ainsi que les expressions qui en dérivent, peuvent être employées pour désigner 10 respectivement une cuisson partielle et une cuisson complète ou finale. Le procédé permet à partir d'un renfort fibreux sous forme d'une préforme plane 10, représentée sur la figure 1 a, de réaliser une pièce structurale 20 de géométrie tridimensionnelle, telle que représentée sur la figure lb. Le procédé de fabrication d'une pièce composite injectée, selon l'invention, 15 comporte dans l'ordre les étapes principales suivantes : - injection ou infusion de résine thermodurcissable dans une préforme textiles plane 10, accompagnée d'une pré cuisson de la résine jusqu'à un taux de réticulation médian, auquel cas on parle de semi cuisson, ce taux permet en effet de conférer à la préforme injectée 20 une stabilité dimensionnelle et physico-chimique suffisante pour permettre sa manipulation en atelier sans nuire à son intégrité et de lui conserver des propriétés de formabilité, et néanmoins des capacités à former de nouvelles liaisons intermoléculaires, en cas d'assemblage ultérieur avec une autre pièce composite dont la 25 résine constitutive est chimiquement compatible ; - formage de la préforme plane injectée-infusée et semi cuite à des températures basses à moyennes comparées à une température de l'étape suivante, par un procédé de formage de type formage de tôle composite thermoplastique ; 30 - post cuisson hors autoclave de la pièce injectée-infusée et semi cuite obtenue jusqu'à un taux de polymérisation souhaité pour la pièce structurale finie. 7 Le procédé, comme schématiquement illustré à la figure 2, se caractérise donc par une préparation de préformes textiles planes semi cuites qui sont ensuite formées à l'aide d'outillage et moyens de formage ad-hoc, afin de prendre les formes finales des pièces structurales souhaitées, les pièces formées sont in fine 5 post cuites jusqu'à un taux de polymérisation de la résine déterminé. Cette approche permet d'éviter en premier lieu l'utilisation d'outillage 3D pour le compactage et l'injection. En effet, les pièces sont d'abord fabriquées sous forme de nappes planes avant de prendre leurs formes tridimensionnelles par une opération de formage mécanique. 10 Selon un mode de réalisation de l'invention, illustré à la figure 3, le procédé comporte dans l'ordre les étapes suivantes, numérotées suivant les références de la figure 3 : - une étape 100 de mise en place dans un outillage et de compactage d'une préforme textiles plane ; 15 - une étape 200 d'injection de résine sous pression dans la préforme textiles plane à une température basse à moyenne comparée à la température de cuisson finale ; - une étape 300 de pré cuisson de la préforme plane injectée, l'injection étant terminée, à une température égale ou proche de la 20 température d'injection, jusqu'à un taux de réticulation de la résine déterminé en dessous du point de gélification de ladite résine, 50% par exemple ; - une étape 400 de formage de la préforme plane injectée et précuite obtenue à l'étape précédente, à une température basse à moyenne ; 25 - une étape 500 de stockage de la pièce injectée à température ambiante avant l'étape finale de fabrication ; - une étape 600 de post cuisson hors autoclave de la pièce injectée précuite jusqu'à un taux de polymérisation déterminé. L'étape 600 peut être remplacée par une étape d'assemblage de la sous 30 structure LCM semi cuite obtenue avec une structure principale de type panneau ou peau avant une post cuisson finale de l'ensemble, tel que décrit dans la demande de brevet français ayant pour titre « Procédé de fabrication de structures en matériaux composites thermodurcissables par assemblage de pièces 8 élémentaires composites moulées par injection infusion de résine liquide » et dont un des inventeurs est Patrice Lefébure. Dans un autre mode de réalisation, l'étape 200 d'injection est remplacée par une étape 210 d'infusion sous vide de la résine dans la préforme plane pour 5 une meilleure réduction des coûts. L'étape 300 de pré cuisson de la préforme injectée est de préférence réalisée jusqu'à un taux de polymérisation juste en dessous d'un taux correspondant au point de gélification de la résine, qui est souvent proche de 50% dans le cas de résine époxyde. Il s'agit dans ce cas d'une semi cuisson de la 10 résine. En outre, l'étape 300 de pré cuisson est réalisée après injection ou infusion complète, cette condition correspondant à une transition A dans le diagramme séquentiel du procédé donné à la figure 3. L'étape 400 de formage de la préforme injectée et précuite (flanc LCM) peut 15 être réalisée à l'aide d'une presse ou tout moyen de formage de tôles composites, par exemple un système de type diaphragme. Un compactage rapide à l'étape 100 de compactage permet de limiter les problèmes de formation. De plus, si le compactage est effectué à chaud, l'inertie thermique de l'outillage devient négligeable. 20 Le procédé de l'invention se caractérise par une injection simple qui ne nécessite aucun outillage de géométrie complexe, sans crainte des zones sèches et des problèmes de fuites lors de l'injection. Les étapes de compactage, d'injection et de pré cuisson permettent d'atteindre une qualité et une épaisseur nominales en tout point des pièces avant 25 l'étape de formage, qui permet ensuite d'améliorer l'homogénéité desdites pièces, puisque le flot de résine est très limité. Le procédé permet également un important gain en productivité en particulier grâce à une possibilité de formage de plusieurs pièces par jour, les opérations de formage étant en général assez rapides. 30 En outre, les températures, basses à moyennes, d'exécution des étapes précédant la post cuisson permettent de diminuer drastiquement le coût de l'emploi des produits auxiliaires de fabrication, par comparaison à ceux utilisés pour l'injection et cuisson de pièces à hautes températures. 9 D'autres avantages ressortent de la mise en oeuvre du procédé de l'invention, comme par exemple la possibilité de stockage des pièces à température ambiante grâce à l'état pré polymérisé de la résine, du fait des faibles effets des phénomènes de sorption de l'eau, et de la stabilité physico-chimique du 5 matériau, avant les étapes de formage et de post cuisson. Le procédé de fabrication de pièces structurales LCM ainsi décrit peut aisément être utilisé dans un site de production, grâce à l'implémentation d'une ligne d'assemblage spécifique, pour la fabrication de sous-structures composites 10 de géométrie 3D pour caissons de voilures, fuselages, ailes et structures similaires par exemple. Pour une industrialisation optimale du procédé, la ligne d'assemblage doit être fractionnée en plusieurs stations et regrouper les opérations de moulage LCM, de formage, de post cuisson, ainsi que le contrôle santé des pièces 15 fabriquées. D'autres opérations peuvent être ajoutées selon le besoin. Après les étapes d'injection et de pré cuisson, les pièces structurales obtenues peuvent être utilisées pour réaliser des structures raidies, obtenues par assemblage des pièces fabriquées avec des peaux composites par exemple. Avantageusement, l'industrialisation d'un tel procédé permet d'améliorer la 20 productivité, de réduire les coûts d'outillage et les produits auxiliaires, de limiter les déchets de fabrication, de baisser les coûts non récurrents grâce au stockage des pièces à température ambiante, et d'annuler les importants investissements en autoclaves. On peut également imaginer, dans le cadre d'un gain de productivité, de 25 sous-traiter à un fournisseur la fabrication des tôles LCM semi-cuites avant formage et post cuisson finale, REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une pièce structurale (20) en matériau composite par injection d'une résine dans un renfort fibreux, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'ordre les étapes suivantes : - une étape (200) d'injection-infusion de la résine dans une préforme textiles plane (10) ; - une étape (300) de cuisson partielle de la préforme injectée-infusée jusqu'à un taux de réticulation de la résine en dessous d'un point de gélification de ladite résine ; - une étape (400) de formage de la préforme injectée-infusée précuite jusqu'à obtention d'une forme finale de la pièce structurale ; - une étape (600) de cuisson complète hors autoclave de la pièce structurale formée pour obtenir un taux de polymérisation déterminé de la résine permettant d'acquérir des propriétés mécaniques et thermomécaniques désirées. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'injection de la résine dans la préforme plane est réalisée à une température inférieure à une température de cuisson complète de la pièce structurale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la résine est polymérisée à un taux, en dessous d'un point de gélification de la résine, compris entre 25% et 50% à l'étape de cuisson partielle de la préforme plane injectée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de cuisson partielle de la préforme plane injectée est réalisée à une température égale ou proche d'une température d'injection de la résine à l'étape d'injection. 11 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le formage de la préforme précuite est réalisé à une température inférieure à une température de cuisson complète de la pièce structurale. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de cuisson complète hors autoclave est réalisée sous vide dans un four conventionnel. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape (100) de mise en place et de compactage de la préforme plane avant l'étape (200) d'injection de la résine dans ladite préforme, et une étape (500) de stockage à température ambiante de la pièce structurale, obtenue après formage, avant l'étape (600) de cuisson complète de ladite pièce structurale. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la résine est une résine thermodurcissable. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formage de la préforme injectée est réalisée à l'aide d'une presse ou d'un procédé type diaphragme, ou de procédés type formage en continu, tels qu'un procédé roulage (roll-forming) ou un procédé pultrusion. 10. Pièce structurale (20) en matériau composite, de géométrie tridimensionnelle, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.