Brevet FR3081760A1 — publié le 20191206

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, ainsi que la pièce composite obtenue. On notera que par fibres on entend toutes les formes sous lesquelles peuvent être présentées les fibres de renfort, et notamment, mais non limitativement, des mèches ou cordons de fibres de renfort. La matrice thermoplastique ou thermodurcissable d'une pièce en matériau composite, dans laquelle sont noyées les fibres de renfort constitue le point faible, et qui consiste généralement en une résine, de ladite pièce car elle présente 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. Par conséquent la 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. Par conséquent, lors de la conception et de la fabrication de pièces en matériau composite, on cherche à orienter les fibres dans la direction des efforts ou dans des directions proches. Par ailleurs, pour optimiser la tenue mécanique de la pièce à réaliser, il est également nécessaire d'éviter que les fibres 25 soient plissées ou non rectilignes, et on cherche donc à atteindre une parfaite rectitude des fibres. Cette rectitude est généralement obtenue par la mise en tension de la fibre, en étant par exemple tendue entre deux moyens de renvoi. C'est ainsi que, de manière courante, on réalise un 30 enroulement de fibres pré-imprégnées autour de deux axes distants, pour réaliser un écheveau. Toutefois, si les fibres demeurent parfaitement rectilignes après quelques enroulements, il n'en est pas de même après un grand nombre d'enroulements, car on observe un foisonnement des 35 fibres qui conduit à une augmentation d'épaisseur au niveau des axes, un gonflement transversal dans la partie médiane, et un comblement de l'espace entre les axes, associé à un plissement 2 des fibres dans cette zone, en sorte que les fibres ne sont plus rectilignes. L'un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, 5 comprenant une matrice thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres, qui permet de pallier les inconvénients précités, en optimisant l'orientation et surtout la mise en rectitude des fibres au sein de ladite pièce. Un autre but de la présente invention est de proposer un 10 procédé qui soit automatisable, sachant que la réalisation de pièce en matériau composite nécessite encore de trop nombreuses interventions humaines, ce qui est préjudiciable économiquement. Le procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'invention, comprenant une matrice thermoplastique ou 15 thermodurcissable renforcée de fibres, se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser préalablement une structure de fibres, pré-imprégnées ou non, au travers des opérations suivantes : - aligner et juxtaposer des fibres, tout en les tendant entre des éléments de renvoi, et en les maintenant écartées les 20 unes des autres, en sorte d'obtenir une première couche, - superposer à ladite première couche, une deuxième couche obtenue de manière identique à la première, où les fibres sont parallèles à celles de la première couche, et maintenues écartées de celle-ci, - répéter l'opération de superposition jusqu'à obtenir l'épaisseur souhaitée, - rigidifier la matière constituant la matrice, par un procédé propre à sa nature. On notera que le terme rigidifier est utilisé de manière générale, ce peut être par exemple, non limitativement, une polymérisation, un refroidissement pour les mèches ou fils thermoplastiques déposés par refusion, l'évaporation du solvant d'une colle déposée en spray, la pulvérisation d'eau sur les fibres pour faire migrer l'ensimage des fibres aux croisement de fibres et créer une légère cohésion d'ensemble. Chacune des fibres est ainsi maintenue parfaitement droite, sans incidence de la mise en tension des fibres voisines. 3 On sait que dans les constructions ne travaillant qu'en traction/compression, c'est toujours la compression qui pose problème en premier, à cause du flambement. La façon d'écarter les fibres, selon l'invention, permet d'augmenter leur résistance 5 au flambement en compression par augmentation de l'inertie des « poutres élémentaires » obtenues dans une telle structure treillis. On notera que de manière avantageuse, les éléments de renvoi peuvent être internes à la pièce en matériau composite, et qu'ils 10 peuvent donc être destinés à être noyés dans la matrice. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise un tour mort d'écartement autour des éléments de renvoi, afin de reparalléliser les fibres. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé 15 selon l'invention, on réalise l'espacement entre les différentes couches en y intercalant des éléments. Selon un mode de réalisation particulier, les éléments intercalés consistent en une couche de fibres alignées et juxtaposées, tendues entre des éléments de renvoi, maintenues 20 écartées les unes des autres, et s'étendant dans une direction différente de celle de la ou des couches avec la ou lesquelles elle est en contact. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, on réalise le soudage des fibres qui se 25 croisent au moyen d'une seconde résine. Ce soudage, par le dépôt de cette seconde résine, en une opération, non limitativement de moulage, coulée, trempage, permet d'augmenter la résistance au flambement des mèches constitutives du treillis réalisé. 30 Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments intercalés consistent en des espaceurs déposés de manière robotisée. Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments intercalés consistent en des espaceurs déposés par un procédé de 35 fabrication additive. Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, les fibres sont préalablement recouvertes 4 individuellement d'une matière thermoplastique ou thermodurcissable en sorte de former une gaine dont l'épaisseur est apte à la réalisation de l'écartement entre les fibres juxtaposées et/ou superposées. 5 Selon une variante, plusieurs fibres maintenues parallèles et écartées deux à deux sont recouvertes d'une matière thermoplastique ou thermodurcissable en sorte de former une gaine dont l'épaisseur est apte à la réalisation de l'écartement entre les fibres juxtaposées et/ou superposées. 10 Les avantages et les caractéristiques du procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. 15 Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue schématique d'un enroulement filamentaire illustrant l'état de la technique, - la figure 2 représente une vue schématique d'une coupe 20 transversale d'une partie d'une pièce en matériau composite réalisée au travers du procédé de fabrication selon l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique d'une variante du même procédé de fabrication, 25 - la figure 4 représente une vue schématique d'une autre variante du même procédé de fabrication, - la figure 5 représente la même vue schématique d'une pièce en matériau composite réalisée selon une variante du même procédé, 30 - la figure 6 représente une vue en perspective d'une étape du même procédé lors de la fabrication d'une pièce en matériau composite. La figure 1 illustre une étape d'un procédé habituel de fabrication d'une pièce en matériau composite. Ainsi, le procédé 35 consiste à réaliser un écheveau E par enroulement de fibres pré-imprégnées F sur deux axes A et B. Si théoriquement les fibres sont tendues entre les deux axes, en réalité on constate une 5 augmentation d'épaisseur au niveau des axes A et B, et surtout un gonflement transversal dans la partie médiane C et un comblement de l'espace D entre les axes A et B, associé à un plissement des fibres F dans cette zone. Par conséquent, un tel procédé ne permet 5 pas d'atteindre le but recherché à savoir que les fibres F soient rectilignes, afin de pouvoir être sollicitées non seulement en traction mais également en compression. Comme déjà évoqué, on entend par fibres toutes les formes sous lesquelles peuvent être présentées les fibres de renfort, et 10 notamment, mais non limitativement, des mèches ou cordons de fibres de renfort. En référence maintenant à la figure 2, on peut voir une coupe transversale d'une partie d'une pièce P réalisée par le procédé selon l'invention. 15 Cette pièce P comporte une matrice M dans laquelle sont noyées des fibres de renfort F. Le procédé selon l'invention consiste à arranger les fibres F en sorte qu'elles soient maintenues alignées, parallèles entre elles et surtout parfaitement rectilignes. 20 Pour atteindre ce but, les fibres sont alignées et juxtaposées pour former une couche, elle-même recouverte d'une autre couche. On notera que les termes « couche » et « superposition » ne sont pas limitatifs, ils n'impliquent pas une orientation 25 obligatoire, ils sont utilisés pour simplifier la compréhension. Sur la figure 1, la partie de pièce composite représentée comporte trois couches superposées, Cl, C2 et C3 de quatre fibres F chacune. La couche Cl est obtenue en tendant quatre fibres F entre 30 des moyens de renvoi, non représentés, tout en les maintenant espacées les unes des autres. La couche C2 est réalisée au-dessus de la couche Cl, à distance de celle-ci, et de la même manière, à savoir par tension des fibres F entre des moyens de renvoi, et il en est de même pour 35 la couche C3. 6 Selon ce mode de réalisation l'espacement de deux couches successives est obtenu par l'intermédiaire de moyens de renvoi spécifiques à chaque couche. Après la construction d'une telle structure de fibres F, 5 elle est noyée dans la matrice M, par l'intermédiaire de différents moyens connus, tels que, non limitativement, trempage, moulage, coulée, infusion, pulvérisation. En référence maintenant à la figure 3, on peut voir que selon une variante du procédé selon l'invention, le maintien de 10 l'écartement entre deux couches successives peut être réalisé non pas au travers de moyens de renvoi spécifiques à chaque couche, mais par dépôt entre chacune d'elles d'éléments d'espacement E. Les moyens d'espacement E peuvent être de différentes natures, ils peuvent consister, non limitativement, en des fibres 15 disposées dans une direction différente de celles des couches Cl, C2 et C3, ou bien de la résine, identique à celle composant la matrice M. On notera que dans un but d'automatisation du procédé de fabrication selon l'invention, les éléments d'espacement E peuvent 20 être avantageusement déposés entre chaque couche par un procédé de fabrication additive. En référence à la figure 4, on peut voir une autre variante de mise en OEuvre du procédé selon l'invention, dans laquelle le positionnement particulier des éléments d'espacement E supportant 25 une même couche Cl, C2 ou C3, de fibres F, autorise une mise en forme de chacune de ces couches Cl, C2 ou C3, en sorte de leur donner par exemple une forme incurvée. Dans le mode de réalisation représenté, on notera que les éléments d'espacement E peuvent consister en des fibres, tandis 30 que d'autres éléments d'espacement E' sont disposés à la fois entre les couches Cl, C2 ou C3, et entre les éléments d'espacement E. La figure 5 montre une autre variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans cette variante, on utilise des 35 fibres F, ou plus particulièrement des mèches, enrobées d'une matière thermoplastique ou thermodurcissable de manière à former autour de chacune d'elles une gaine G d'une épaisseur choisie. 7 Lors de la réalisation des couches Cl, C2 et C3, les gaines G permettent de maintenir l'écartement entre les fibres F d'une même couche, mais également entre les fibres de deux couches successives. 5 Selon cette variante, le maintien de l'espacement entre les fibres étant obtenu par les gaines G, il reste alors uniquement à assurer la tension des fibres. Il est également possible de prévoir plusieurs fibres disposées parallèlement et régulièrement espacées deux-à-deux, 10 l'ensemble étant entouré d'une seule gaine formant des moyens d'espacement. La figure 6 représente la structure en fibres F d'une pièce V en matériau composite, avant l'opération d'association de la matrice M. 15 La fabrication de cette pièce V est à rapprocher du procédé illustré à la figure 4. La pièce V est constituée de l'entrecroisement de parois parallèles L et N, où les parois L sont plates, tandis que les parois N sont incurvées autour d'un axe longitudinal 20 perpendiculaire aux parois L. Les parois L sont constituées de la superposition de couches Cl, C2 Cn, constituées chacune de fibres F juxtaposées, maintenues écartées les unes des autres au travers de leur tension sur des moyens de renvoi R, en l'occurrence des broches, tandis 25 qu'entre chaque couche Cl, C2 Cn est intercalée une couche, C'1, C'2 C'n de fibres F, espacées les unes des autres, tendues sur des moyens de renvoi non représentés, permettant de réaliser, au travers un décalage progressif, la mise en forme incurvée des parois N. 30 Quel que soit le mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le but recherché est atteint, à savoir la rectitude des fibres, ce qui permet une résistance optimale à la traction comme en compression. D'autre part, le procédé selon l'invention est parfaitement 35 automatisable, ce qui constitue un autre but de l'invention. REVENDICATIONS1) Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comprenant une matrice ao thermoplastique ou thermodurcissable renforcée de fibres (F), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser préalablement une structure de fibres, pré-imprégnées ou non, au travers des opérations suivantes : - aligner et juxtaposer des fibres (F), tout en les tendant entre des éléments de renvoi (R), et en les maintenant écartées les unes des autres, en sorte d'obtenir une première couche (Cl), - superposer à ladite première couche (Cl), une deuxième couche (C2) obtenue de manière identique à la première, où les fibres (F) sont parallèles à celles de la première couche (Cl), et maintenues écartées de celle-ci, - répéter l'opération de superposition jusqu'à obtenir l'épaisseur souhaitée, - rigidifier la matière constituant la matrice (M), par un procédé propre à sa nature. 2) Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise un tour mort d'écartement autour 20 des éléments de renvoi (R), afin de reparalléliser les fibres (F). 3) Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise l'espacement entre les différentes couches en y intercalant des éléments (E, E'). 25 4) Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments intercalés (E) consistent en une couche de fibres alignées et juxtaposées, tendues entre des éléments de renvoi, maintenues écartées les unes des autres, et s'étendant dans une direction différente de celle de la ou des 30 couches avec la ou lesquelles elle est en contact. 5) Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on réalise le soudage des fibres (F) qui se croisent au moyen d'une seconde résine. 9 6) Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments intercalés consistent en des espaceurs déposés de manière robotisée. 7) Procédé de fabrication selon la revendication 6, 5 caractérisé en ce que les éléments intercalés consistent en des espaceurs déposés par un procédé de fabrication additive. 8) Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres (F) sont préalablement recouvertes individuellement d'une matière thermoplastique ou 10 thermodurcissable en sorte de former une gaine (G) dont l'épaisseur est apte à la réalisation de l'écartement entre les fibres juxtaposées et/ou superposées. 9) Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont arrangées à plusieurs, 15 maintenues parallèles et écartées deux à deux, et recouvertes d'une matière thermoplastique ou thermodurcissable en sorte de former une gaine (G) dont l'épaisseur est apte à la réalisation de l'écartement entre les fibres juxtaposées et/ou superposées.20