Brevet FR3090464A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite Domaine technique [0001] La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite formées par empilement de couches de matériau fibreux préimprégnés placés sur un outil formant modèle pour constituer une préforme, et couverts d'une bâche avant mise sous vide et chauffage de l'ensemble pour polymériser la préforme. Technique antérieure [0002] Sur la figure 1, une installation 1 de fabrication d'une pièce en matériau composite représentée très schématiquement, montre un outil formant modèle 2 en forme de caisson comportant des parois latérales 3 et une paroi supérieure 4, utilisé pour mettre en forme un empilement 6 de couches de matériau préimprégné. [0003] L'empilement 6 s'étend sur la paroi supérieure 4 en ayant ses bords rabattus sur les parois latérales 3, et il constitue, une fois installé comme sur la figure 1, la préforme de la pièce à fabriquer. Dans le cas de la figure 1, la pièce a symboliquement une forme de caisson dont la surface interne est délimitée par les faces externes de l'outil 2. [0004] L'empilement 6 est formé de couches dites de préimprégné, c'est-à-dire de tissu ou d'agencement fibreux, par exemple en fibres de carbone, préimprégnées d'une matrice polymérisable, complété par des éléments de marouflage. La polymérisation est obtenue typiquement par réchauffement à une température donnée pendant une durée prédéterminée. [0005] Pour accroître la tenue mécanique de la pièce, la polymérisation est réalisée en pres- surisant l'empilement 6, pour minimiser la densité de matrice et accroître la densité de fibres. Cette pressurisation est assurée en couvrant l'empilement 6 avec une bâche 7 dont le pourtour est hermétiquement raccordé à la face externe de l'outil 2, pour délimiter une enceinte étanche E autour de l'empilement 6. [0006] En pratique, le raccordement hermétique du pourtour de la bâche 7 avec la face externe de l'outil 2 est obtenu en intercalant un joint de mastic 8, et le maintien de la bâche 7 est assuré par des vis 9, 11 traversant conjointement cette bâche et le joint de mastic 8 en étant vissées à travers l'outil 2. [0007] La pressurisation de l'empilement 6 est obtenue en établissant le vide dans l'enceinte E, l'outil 2 comportant à cet effet une buse ou une valve 12 de raccordement à une pompe à vide non représentée. [0008] Dans le cas d'une pièce généralement plane, illustré schématiquement. sur la figure 2, l'agencement qui est analogue comporte un outil 16 généralement plan supportant un 2 empilement de couches 17 couvert par une bâche 18 dont les bords sont hermétiquement raccordés à l'outil 16 par un joint de mastic 19, sans vis de maintien de la bâche. [0009] Dans le cas de la figure 2, la valve repérée par 21, de raccordement à une pompe à vide non représentée, équipe la bâche au lieu d'équiper l'outil. [0010] D'une manière générale, l'évolution des matériaux composite nécessite d'accroître la température de polymérisation, alors que la température acceptable pour les bâches actuelles est limitée en deçà des températures de polymérisation recherchées. En pratique, les bâches actuelles résistent à 320°C alors que les matériaux composites dits haute température ont une température de polymérisation de 400°C, sous 15 bars. [0011] 11 existe des bâches en polyimide conçues pour supporter 400°C, mais ces bâches se déchirent facilement lorsqu'utilisées pour la fabrication d'une pièce dc géométrie complexe telle que celle de la figure 1, ou lorsqu'elles doivent être percées pour installer une valve comme dans le cas de la figure 2. [0012] Dans ce cadre, le but de l'invention est d'apporter une solution pour réaliser unc mise sous vide sous une température supérieure à 320°C pour fabriquer une pièce de géométrie complexe ou pour faciliter l'intégration d'une valve dans le cas d'une géométrie simple. Exposé de l'invention [0013] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, comportant les étapes de : [0014] - application sur un outil dc couches de matériau composite préimprégné pour constituer unc préforme ; [0015] - installation d'une bâche sur la préforme et liaison étanche de cette bâche à l'outil avec du mastic (34, 44) ; [0016] - mise sous vide de l'enceinte délimitée par la bâche et l'outil contenant la préforme ; [0017] - chauffage de l'ensemble à une température donnée pendant unc durée prédé- terminée pour polymériser les couches de matériau composite préimprégnées (31, 38) ; [0018] caractérisé en ce que : [0019] - il comporte une étape d'application d'au moins un coupon en matériau de type silicone ou élastomère sur au moins une zone de l'outil et/ou de la préforme ayant une géométrie complexe, préalablement à l'installation de la bâche (33, 46) ; [0020] - la bâche est une bâche comprenant au moins un polyimide et/ou au moins un composé de la famille des phtalonitriles. [0021] Avec cette solution, les coupons en silicone ou élastomère adoucissent les formes an- guleuses, et ils sont au contact direct de la bâche, de sorte qu'ils augmentent sa tenue mécanique dans les zones de concentration de contraintes où ils sont placés. 3 100221 L'invention concerne également un procédé ainsi défini, clans lequel on utilise des coupons en matériau de type silicone ou élastomère renforcé par des libres longues. [0023] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel on utilise des coupons en silicone renforcé par des fibres de verre. [0024] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, comprenant préalablement à l'installation de la bâche, une étape d'équipement de l'outil avec une valve équipant l'outil, et d'application d'un coupon sur la valve équipant l'outil. [0025] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la valve comporte un corps et un tube de raccordement, dans lequel la bâche comporte un trou de passage du tube de raccordement, et dans lequel le coupon appliqué sur la valve présente des dimensions supérieures à celles du corps et comporte un trou central de centrage et de passage du tube de raccordement. [0026] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'outil a une forme générale de caisson. [0027] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'outil a une forme généralement plane. Brève description des dessins [0028] [fig.1[ déjà décrite est unc représentation schématique montrant une installation pour fabriquer une pièce composite de géométrie complexe selon l'Etat de la technique ; [0029] [fig.2[ déjà décrite est unc représentation schématique montrant une installation pour fabriquer une pièce composite simple avec intégration d'une valve de mise sous vide à la bâche selon l'Etat de la technique ; [0030] [fig.3] est unc représentation schématique de mise en oeuvre de l'invention pour fabriquer une pièce composite haute température de géométrie complexe ; [0031] [fig.4[ est unc représentation schématique de mise en oeuvre de l'invention pour fabriquer une pièce composite simple haute température avec intégration d'une valve de mise sous vide à la bâche ; [0032] [fig.5] est une vue de dessus de l'intégration d'une valve à une bâche conformément à l'invention ; [0033] [fig.6] est une vue en coupe de l'intégration d'une valve à une bâche conformément à l'invention. Description des modes de réalisation [0034] L'idée à la base de l'invention est de mettre en oeuvre deux matériaux permettant par synergie d'éviter la dégradation thermique de l'un et d'augmenter la résistance mécanique de l'autre. Concrètement, l'association d'une bâche en polyimide avec des coupons en silicone appliqués sur les parties anguleuses de la préforme et/ou de l'outillage permet de constituer une poche à vide supportant une température de cuisson de 400°C sous 15 bars, sans risque de déchirement ou autre dégradation de cette bâche. [0035] Sur la figure 3, l'installation 23 de fabrication d'une pièce en matériau composite comporte un outil formant modèle 24 comprenant une paroi supérieure 26 généralement plane à contour carré ou rectangulaire prolongée par des parois latérales 27 disposées selon un agencement en cadre qui entoure la paroi supérieure en la prolongeant. [0036] Cet outil 24 a ainsi unc forme générale de caisson dont la surface externe délimite la surface interne d'une pièce à fabriquer. Il comporte de fait plusieurs portions anguleuses, à savoir quatre arêtes dont deux sont repérées par 28 et 29, ainsi que quatre sommets non visibles sur la vue en coupe que constitue la figure 3 qui constitue une géométrie dite complexe dans ce domaine. [0037] Lors de la fabrication, des couches de matériaux préimprégnés sont empilées sur la face supérieure de la paroi 26 en s'étendant au-delà de celle-ci pour déborder le long des parois latérales 27 afin de constituer unc préforme de la pièce à fabriquer, cet empilement étant repéré par 31 sur la figure 3. [0038] Complémentairement, des éléments de marouflage non représentés, couvrant lo- calement certaines parties de la préforme pour par exemple y modifier localement son épaisseur ou sa forme sont ajoutés à l'empilement de couches de préimprégné. [0039] Selon l'invention, les portions anguleuses de la préforme définie par l'empilement 31 et par l'outil 24 sont ensuite recouvertes localement par des coupons en silicone, repérés par 32 sur la figure 3, de manière à adoucir ces formes anguleuses. Ces coupons permettent ainsi de limiter les concentrations de contraintes de la bâche qui sera ensuite installée, et par là même le risque de déchirure ou d'endommagement de cette bâche durant le cycle de polymérisation. [0040] Comme visible sur la figure, les coupons silicone sont placés dans les zones sus- ceptibles de déchirer la bâche polyimide, c'est-à-dire sur les coins et angles de la pièce à fabriquer et/ou de l'outillage utilisé. Les coupons sont ici des carrés de 120 mm de côté, mais leur taille et leur forme sont conditionnées par l'anatomie et les dimensions de la pièce à fabriquer. [0041] Une fois que les coupons en silicone 32 ont été mis en place, une bâche en polyimide 33 est installée sur l'ensemble formé par l'outil 24 avec l'empilement 31 ainsi que les éléments de marouflage non représentés et les coupons en silicone 32, et les bords de cette bâche sont raccordés hermétiquement à l'outil 16 par un joint de mastic 34. [0042] Lorsque tous ces composants sont complètement configurés, c'est-à-dire installés aux positions appropriées et contrôlés, l'enceinte étanche E entourant l'empilement 31 est mise sous vide au moyen d'une pompe à vide raccordée à une valve 36 équipant l'outil 24. [0043] Cette mise sous vide permet de mettre en contact direct la face externe de chaque coupon de silicone avec la paroi en polyimidc. En effet, sur les figures, l'ensemble est représenté avant mise au vide de l'enceinte E, mais lorsque le vide est fait dans l'enceinte E, la bâche épouse la forme de la préforme et des coupons, pour adopter une forme dans laquelle elle est entièrement en appui sur ces éléments, l'enceinte E ayant alors un volume pour ainsi dire nul. [0044] Lors du processus de mise sous vide et de chauffage, les coupons de silicone ou de matériau élastomère peuvent ainsi se solidariser à la bâche en polyimidc, contribuant à accroître sa tenue mécanique dans les zones de géométrie complexe, c'est-à-dire les zones générant une concentration de contraintes dans la bâche. [0045] Dans l'exemple de la pièce plane, illustré sur la figure 4, l'outil 37 a une forme géné- ralement plane, et des couches dc matériaux préimprégnés sont empilées sur sa face supérieure afin de constituer une préforme dc la pièce à fabriquer, cet empilement étant repéré par 38. Là aussi, des éléments de marouflage non représentés, peuvent être ajoutés localement sur certaines parties. [0046] Comme visible sur la figure 4, une valve 39 est également installée au voisinage d'un bord de l'empilement 38 constituant la préforme, en étant dans un premier temps posée à plat sur la face supérieure de l'outil 37. [0047] Comme visible plus en détails sur les figures 5 et 6, cette valve 39 comporte un corps 41 généralement plan équipé d'un tube de raccordement 42 qui dépasse perpendiculairement de son corps 41, ce tube 42 étant destiné à traverser un trou correspondant de la bâche pour pouvoir être raccordé à la pompe à vide non représentée. [0048] Afin de renforcer la zone correspondant au trou de la bâche en polyirnide destiné à être traversé par le tube 42, un coupon en silicone 43 comportant lui aussi un trou central est d'abord rapporté sur la face supérieure de la valve 39, à savoir la face qui est en vis-à-vis de la bâche sur la figure 4, en dépassant largement au-delà des contours du corps 41. Ce coupon 43 permet ainsi d'adoucir l'arête circulaire externe du corps 41, pour assurer qu'elle ne puisse pas constituer une partie saillante susceptible d'endommager la bâche. [0049] Une fois que la valve 39 est complètement installée, un joint de mastic 44 est appliqué sur la face supérieure de l'outil 37, tout autour de l'ensemble constitué par 6 l'empilement 38 et la valve 39 qui lui est contiguë. [0050] Lorsque l'ensemble est prêt, la bâche en polyimide 46, dans laquelle un trou a préa- lablement été formé pour le tube 42, est appliquée sur l'ensemble, en plaçant le tube dans le trou, et de manière à couvrir l'empilement 38 ainsi que la valve 39 et le joint de mastic 44. [0051] Le coupon en silicone 43 qui couvre le corps de la valve est ainsi au contact direct de la bâche en polyimide lorsque le vide est fait dans l'enceinte E. L'établissement du vide dans l'enceinte délimitée par la bâche en polyimidc et l'outil permet ainsi de plaquer fermement la bâche en polyimide contre le coupon en silicone 43. Ainsi, les coupons se solidarisent à la bâche pour la renforcer mécaniquement afin d'éviter qu'elle ne se déchire dans sa partie affaiblie par le trou que le tube 42 traverse. [0052] D'une manière générale, les coupons en silicone permettent d'adoucir les formes saillantes de la préforme et/ou de l'outillage utilisé, ce qui permet de limiter les concentrations de contraintes de la bâche lorsqu'elle est mise sous vide. Par ailleurs, la mise en contact intime du silicone avec la bâche appuyant sur les coupons permet de conjointement protéger thermiquement les coupons et de renforcer mécaniquement la tenue de la bâche en polyimidc en solidarisant les coupons à la bâche. [0053] Les coupons de silicone utilisés, encore appelés patchs, peuvent avantageusement être du type renforcés par des fibres de verre, ces coupons pouvant être formés de parties de bâche en silicone renforcée par des fibres de verre. [0054] Dans l'exemple qui a été décrit, les coupons sont en silicone, mais des coupons formés par tout autre matériau élastomère, avantageusement renforcé par des fibres longues, résistant à la température requise peuvent convenir, selon l'application spécifique qui est faite de l'invention. [0055] Par ailleurs, l'invention a été décrite pour une bâche en polyimide, mais s'applique à toute bâche comprenant au moins un polyhnide et/ou un composé de la famille des phtalonitriles. 7