Brevet FR3067279A1 — publié le 20181214

La présente invention concerne le domaine des pièces en matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, telle que des ferrures. De telles pièces, comme celles décrites dans les documents 5 DE 29 45 469 et FR 3 032 144 par exemple, présentent une structure en treillis obtenue par bobinage de fibres imprégnées de résine sur un châssis comportant des plots, en sorte de faire cheminer les fibres entre lesdits plots pour les orienter préférentiellement selon les directions de sollicitation. 10 On notera que par fibre on entend toutes les formes sous lesquelles peuvent être présentées les fibres de renfort, et notamment, mais non limitativement, des mèches, rubans ou cordons de fibres de renfort. On sait que les fibres de renfort ont montré leur 15 efficacité dans la capacité à réaliser des structures mécaniques à la fois résistantes et légères. Cette efficacité est due à ce que les barres constituant le treillis sont sollicitées en traction ou compression, sollicitations particulièrement adaptées à présenter des contraintes uniformes dans les sections 20 droites des barres. Il est bien connu que, pour les matériaux composites, la tenue des fibres en compression est plus modeste que la tenue de celles-ci en traction, tout particulièrement du fait du problème du flambage des fibres en compression, flambage global ou local 25 des fibres. Cela est plus flagrant lors de croisements des fibres au niveau de noeuds intermédiaires, la sollicitation en compression provocant inévitablement la désolidarisation des jonctions de fibres. 30 Dans le document FR 3 032 144, les fibres sont disposées selon une forme de treillis dans une première préforme, qui est compactée pour former une seconde préforme apte à être moulée. La phase de compactage induit la non rectitude des barres formant le treillis. De plus, l'écrasement de ces barres dans 35 leur extrémité crée des formes complexes propres à induire des sollicitations parasites dans les barres. 2 De plus, lors de la phase d'écrasement, les fibres sont soit sur-tendues, ce qui entraine des contraintes internes significatives dans la pièce finale, soit sous-tendues ce qui génère leur plissage. Afin de pouvoir solliciter des fibres minces en compression, il convient de respecter les trois conditions suivantes : que les fibres soient parfaitement rectilignes, qu'elles soient bloquées dans leur déformation ou déplacement transversal (e) à leur direction principale, et que l'introduction de l'action mécanique dans les fibres se fasse sans introduction d'aucune sollicitation parasite. Dans le cas d'une structure en treillis constituée d'un entremêlement de fibres, la traction est bien reprise par le réseau de fibres car cette sollicitation consolide le noeud 15 constitué par le croisement de fibres. En revanche, la compression des fibres a tendance à désolidariser le noeud. La forme incurvée de la fibre due au croisement de celle-ci favorise la flexion locale de la fibre mise en compression et donc le flambage global de la fibre. 20 La présente invention a pour but de remédier aux divers inconvénients précités, en proposant un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite, et plus particulièrement de réalisation de la structure treillis d'une pièce en matériau composite, respectant les trois conditions précédemment 25 définies, ainsi que la pièce obtenue, en sorte que cette dernière présente une tenue mécanique en compression. Le procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite, selon l'invention, consiste à rajouter une matrice thermoplastique ou thermodurcissable autour d'une préforme 30 constituée d'un treillis de fibres de renfort réalisé par enroulement filamentaire autour des ergots ou analogues d'un châssis, et il se caractérise en ce qu'il consiste à enrouler en outre les fibres sur une ou plusieurs bobines internes à la matrice. 35 Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise des enroulements entre des paires de 3 bobines internes, pour former des barres constituant la structure de treillis. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les enroulements entre deux bobines d'une 5 paire de bobines sont réalisés en passant d'un côté ou de l'autre de l'une et/ou l'autre bobine, en sorte de créer, au sein de la barre qui relie lesdites deux bobines, au moins un croisement de fibres. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé 10 selon l'invention, on réalise, préalablement à l'amorce de l'enroulement de la fibre sur une bobine vers une autre bobine pour la création d'une barre, un ou plusieurs enroulements complets autour de la bobine. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on effectue un ou plusieurs enroulements complets de consolidation autour de la bobine entre les fibres qui forment les barres, pendant et/ou après la réalisation des enroulements de création desdites barres. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé 20 selon l'invention, l'ajout d'une matrice thermoplastique ou thermodurcissable autour de la préforme est réalisé soit par trempage, soit par pulvérisation, soit par surmoulage. De manière avantageuse, les bobines pourront également constituer des formes interfaces de la pièce finale. 25 La ou les bobines internes permettent de créer des noeuds intermédiaires, et donc de réaliser des formes globales complexes en trois dimensions. Le processus d'enroulement peut être judicieusement robotisé, il permet de réaliser la dépose de fibres tout en 30 maintenant une tension, ce qui est le garant de la rectitude de ces fibres. Cet enroulement local peut se décomposer en une phase de création préliminaire de la forme du noeud par un enroulement initial autour de la bobine servant à donner la résistance et la 35 rigidité minimale au noeud, puis des enroulements de création des barres consolidées par des enroulements de consolidation 4 réalisés pendant ou après les enroulements de création des barres. Dans le cas de l'utilisation de résine thermoplastique d'imprégnation des fibres, l'enroulement est réalisé avec un 5 réchauffement de la fibre, puis un refroidissement de l'ensemble de la préforme pour lui donner une cohésion globale. Dans le cas de l'utilisation de résine thermodurcissable d'imprégnation des fibres, l'enroulement est réalisé avec un réchauffement suffisant de la fibre puis un refroidissement de 10 l'ensemble de la préforme pour lui donner une cohésion globale avec, si nécessaire, un passage à une température de réticulation. La préforme ainsi constituée est ensuite entourée d'une matrice, préférentiellement mais non limitativement, du même 15 matériau ayant servi à l'imprégnation des fibres, soit par trempage dans un bain de matériau constituant la matrice, à la température recommandée pour présenter une fluidité suffisante pour couvrir le treillis de fibres, soit par pulvérisation, soit par moulage dans un moule, le volume de comblement de la pièce étant injecté en complément du treillis préalablement disposé dans le moule. Outre que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une grande rectitude de fibres, il autorise, par conséquent, une utilisation de moins de fibres de renforcement. De plus, il permet de faire des pièces plus légères et donc moins chères. Les avantages et les caractéristiques du procédé selon l'invention, et des pièces qu'il permet de mettre en OEuvre, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs modes de réalisation non limitatifs. Dans le dessin annexé : - les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques d'une bielle plane en cours de fabrication par le procédé selon l'invention, 5 - la figure 3 représente une vue schématique d'une variante de la même bielle. - la figure 4 représente une vue schématique partielle et en coupe d'une partie de la même bielle, 5 - les figures 5, 6, 7 et 8 représentent des vues schématiques en perspective de pièces en matériau composite fabriquées selon le procédé. En référence aux figures 1 et 2, on peut voir une bielle plane 1 en matériau composite fabriquée par la mise en oeuvre du 10 procédé selon l'invention. Plus précisément, la figure 1 représente une première étape de fabrication d'une structure en treillis 10 de fibres de renfort F, réalisée par enroulement filamentaire. La fibre F, qui peut consister, non limitativement, en des 15 mèches, rubans ou cordons de fibres de renfort, est enroulée entre deux poulies 2 et 3 destinées à la constitution des deux oeilletons de la bielle 1, et portées par un châssis non représenté. Selon l'invention, le châssis porte également des bobines 20 4, ou poulies intermédiaires, disposées entre les poulies 2 et 3, et sur lesquelles la fibre F est également enroulée. Ces bobines 4, ou poulies intermédiaires, permettent, la création entre chaque paire de bobines 4, des barres 5 qui forment la structure en treillis 10. 25 Sur la figure 2 on peut voir une étape suivante du procédé, qui consiste à mouler sur la structure en treillis 10, une matrice M thermodurcissable ou thermoplastique suivant le cas, les bobines 4 et les barres 5 étant noyées dans cette matrice M. En référence maintenant à la figure 3, on peut voir que le 30 procédé selon l'invention autorise de multiples possibilités de réalisation de la structure en treillis 10, notamment lorsque les bobines 4 présentent un certain diamètre. Il est ainsi possible, lors de la réalisation d'un changement de direction de l'enroulement sur une bobine 4, de 35 passer d'un côté ou de l'autre de cette dernière, de tendre des fibres F obliquement dans une barre 5. 6 Les bobines 4 permettent de varier les bobinages, directs ou croisés, simples ou multiples de manière à permettre une optimisation du treillis de fibres. On notera que le moulage de la matrice M est réalisée dans 5 un moule, non représenté, et que dans celui-ci peuvent être disposées, avant moulage, plusieurs préformes constituées chacune d'une structure de treillis 10. En référence à la figure 4, on peut voir une bobine 4, ou poulie intermédiaire. Cette bobine comporte, dans ce mode de 10 réalisation non limitatif, un arbre 40 et deux flasques latéraux 41. Selon l'invention, l'enroulement de la fibre F au niveau d'une telle bobine 4 est décomposé en plusieurs phases. Dans un premier temps on réalise un enroulement initial 42 autour de 15 l'arbre 40 entre les flasques 41, afin de donner la résistance et la rigidité minimale au noeud à former, puis on réalise un enroulement vers une autre bobine 4 pour la création des barres 5, et enfin, des enroulements 43 autour de l'arbre 40 et entre les fibres F qui forment les barres 5, et réalisés pendant et/ou 20 après la création de enroulements de création des barres 5. Ces enroulements ont pour but de bloquer la déformation en compression dans la zone enroulée, mais également de réduire, selon la nécessité, la longueur des barres 5 sujettes au flambement. 25 En référence aux figures 5, 6, 7 et 8, on peut voir des pièces composites, respectivement 6, 7, 8 et 9, réalisées par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On peut constater que l'enroulement des fibres peut être réalisé entre deux bobines 4 d'axes non parallèles. 30 L'enroulement ainsi obtenu est globalement vrillé tout en respectant la rectitude des poutres 50 de fibres constituant les barres 5. Ce vrillage associé au choix du diamètre des bobines 4, permet de créer un fibrage tridimensionnel présentant 35 potentiellement de la résistance hors plan. 7 On notera que certaines bobines 4 de ces pièces 6, 7, 8 et 9 constituent des formes interfaces. Il est possible de créer un treillis de fibres tridimensionnel propre à optimiser le fibrage d'une pièce 5 volumique, REVENDICATIONS1) Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite, consistant à rajouter une matrice thermoplastique ou thermodurcissable ao autour d'une préforme (10) constituée d'un treillis de fibres de renfort (F) réalisé par enroulement filamentaire autour des ergots ou analogues d'un châssis, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler en outre les fibres (F) sur une ou plusieurs bobines (4) internes à la matrice (M). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise des enroulements entre des paires de bobines 10 internes (4), pour former des barres (5) constituant la structure de treillis (10). 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les enroulements entre deux bobines (4) d'une paire de bobines (4) sont réalisés en passant d'un côté ou de l'autre de l'une 15 et/ou l'autre bobine (4), en sorte de créer, au sein de la barre (5) qui relie lesdites deux bobines (4), au moins un croisement de fibres (F). 4) Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'on réalise, préalablement à l'amorce de 20 l'enroulement de la fibre (F) sur une bobine (4) vers une autre bobine (4) pour la création d'une barre (5), un ou plusieurs enroulements complets autour de la bobine (4). 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on effectue un ou plusieurs enroulements 25 complets de consolidation autour de la bobine (4) entre les fibres (F) qui forment les barres (5), pendant et/ou après la réalisation des enroulements de création desdites barres (5). 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'ajout d'une matrice thermoplastique 30 ou thermodurcissable ao autour de la préforme (10) est réalisé soit par trempage, soit par pulvérisation, soit par surmoulage. 7) Pièce en matériau composite (1 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9) constituée d'une préforme (10) constituée d'un treillis de fibres de renfort (F) réalisé par enroulement filamentaire 9 35 autour des ergots ou analogues d'un châssis, et auquel a été ajoutée une matrice thermoplastique ou thermodurcissable (M), caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.