Brevet FR3091196A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Méthodes de fabrication d'une pièce composite à haute performance [0001] La présente invention se rapporte à méthode de fabrication d'une pièce composite comportant une matrice polymère thermoplastique et des fibres de renfort noyées à l'intérieur de la matrice. [0002] 11 est connu de réaliser des pièces en matériaux composites, notamment dans le but d'en diminuer le poids par rapport à des pièces métalliques. La réduction du poids des pièces de structure d'un aéronef par exemple, est un atout majeur pour en abaisser la consommation. [0003] On réalise ainsi ces pièces composites à partir de préformes faites de feuilles d'un polymère thermoplastique formant une matrice et de fibres de renfort noyées à l'intérieur du polymère. Les préformes sont confectionnées à plat en fonction de la pièce à réaliser puis elles sont thermoformées à l'intérieur d'un moule selon la conformation tridimensionnelle désirée de la pièce. On utilise également, s'agissant des matériaux composites, le ternie thermo-estampé. Préalablement à la mise en forme dans le moule, on fournit de l'énergie thermique aux préformes de manière à ce que la température du polymère thermoplastique de la matrice soit portée au dessus de la température dc fusion du polymère et qu'il soit dans un état essentiellement visqueux. Lorsque le polymère est dans cet état, les préformes se déforment alors aisément dans le moule. Le moule est ensuite refroidi et la température du polymère thermoplastique est abaissée en dessous de la température de transition vitreuse. Il redevient alors rigide et la pièce composite est ainsi extraite du moule. [0004] Pour améliorer les temps de cycle dc fabrication de ces pièces composites, autrement dit la productivité, on augmente l'épaisseur des feuilles dénommées également « patch », et on les fournit sous la forme de plaques. Ainsi, les préformes sont réalisées plus rapidement avec moins de plaques composites. Les plaques composites sont alors agencées de manière superposée selon une configuration prédéterminée. Dans les zones de renfort, où le bord de la plaque la plus supérieure définit un rebord relativement épais, le moulage peut occasionner une surcompression locale, provoquant l'apparition de contraintes locales dans la pièce en résultant. Pour y pallier, il a été imaginé d'appliquer d'un patch mince à cheval sur le rebord. Cette possibilité n'a pas donné toutes les satisfactions attendues et au surplus, elle est de nature à augmenter le temps de cycle. [0005] Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une méthode de fabrication permettant d'atténuer les contraintes locales dans la 2 pièce composite, et ce, à des coûts avantageux. [0006] Dans le but de résoudre cc problème, il est proposé une méthode de fabrication d'une pièce composite comprenant les étapes suivantes : a) on fournit une première plaque et une deuxième plaque d'un matériau composite à matrice polymère thermoplastique, chacune desdites première et deuxième plaques présentant un bord et deux faces opposées ; h) on applique l'une desdites faces opposées de ladite deuxième plaque sur ladite première plaque de façon qu'au moins une portion de bord de ladite deuxième plaque s'étende en retrait par rapport au bord de ladite première plaque selon une configuration prédéfinie de manière à former une préforme ; c) on fournit de l'énergie thermique à ladite préforme de façon à porter ladite matrice thermoplastique desdites première et deuxième plaques à l'état visqueux ; et, d) on conforme ladite préforme selon une conformation tridimensionnelle prédéterminée. Entre l'étape a) et l'étape h), on taille en biseau ladite au moins une portion dudit bord de ladite deuxième plaque de manière à former une tranche biseautée formant un angle aigu par rapport à ladite une desdites faces opposées de ladite deuxième plaque. [0007] Ainsi, une caractéristique de la méthode selon l'invention réside dans la réalisation d'une tranche biseautée de la plaque supérieure pour pouvoir appliquer la plaque supérieure sur la plaque inférieure de manière à ce que la tranche biseautée s'étende à l'opposé de la plaque inférieure. De la sorte le bord de la plaque supérieure n'est plus droit en formant un rebord, mais il s'étend en biais. Or, l'empreinte du moule ne peut comporter de surface parallèle à son mouvement lors de la fermeture qui pourrait par exemple border le bord droit d'une plaque au risque de dénaturer la pièce lors de sa réouverture. Autrement dit, l'angle de dépouille est positif. Partant, l'empreinte du moule présente entre deux pans en décrochement l'un par rapport à l'autre et un pan incliné reliant les deux pans en décrochement. Ce pan incliné tend alors à venir écraser les bords droits des plaques et à créer une surpression locale lors du moulage. Grâce à la tranche en biseau des plaques composites, ce phénomène de surcompression locale disparaît. Au surplus, lorsque le bord des plaques est droit, il y a non seulement un risque de surpression, mais aussi un risque d'apparition de lacune, venant fragiliser la pièce. Aussi, ces lacunes sont inesthétiques. [0008] En outre, les plaques en matériau composite à matrice polymère thermoplastique incluent bien évidemment des fibres de renfort noyées à l'intérieur du polymère. [0009] Selon une variante de réalisation de l'invention particulièrement avantageuse, à l'étape a) on fournit en outre une troisième plaque d'un matériau composite à matrice polymère thermoplastique présentant une autre tranche biseautée, et à l'étape b), on applique ladite troisième plaque contre ladite première plaque de manière à ce que ladite autre tranche biseautée s'applique contre ladite une tranche biseauté de ladite deuxième plaque. De la sorte, la troisième plaque et la deuxième plaque sont ajustées 3 bord à bord. Et on obtient durant le moulage, non seulement une parfaite solidarisation à plat de la troisième plaque et de la première plaque, mais aussi une meilleure solidarisation de la troisième plaque et de la deuxième plaque bord à bord en évitant là encore les lacunes de matière et aussi les surpressions locales. Qui plus est, grâce a cette variante de réalisation, on réduit les risques de défaut de jonction des deux plaques bord à bord, lesquels sont essentiellement liés aux difficultés d'ajustement de la troisième plaque vis-à-vis de la deuxième plaque préalablement au thermoestampage. [0010] Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdites deuxième et troisième plaques présentent une épaisseur supérieure à 0,5 mm. Leur épaisseur est par exemple de 1,5 mm. Et préférentiellement, elles présentent une même épaisseur de manière à former une seule couche continue et uniforme au niveau de la jonction entre les deux tranches biseautées. [0011] Préférentiellement, ladite une tranche biseautée et ladite autre tranche biseautée res- pectivement desdites troisième et deuxième plaques présentent des angles inférieurs à 30' par rapport à leur faces respectives. De la sorte, on obtient une plus grande surface de contact entre les tranches biseautées et partant, lors du pressage dans le moule, on obtient une meilleure solidarisation bord à bord des deux plaques. Avantageusement, ladite une tranche biseautée et ladite autre tranche biseautée respectivement desdites troisième et deuxième plaques présentent des angles identiques par rapport à leur faces respectives. Ainsi, on ne génère aucune lacune de matière durant la compression des plaques lors du moulage, ni même de surpression. [0012] Selon une autre variante de réalisation de l'invention, à l'étape a) on fournit deux quatrièmes plaques d'un matériau composite à matrice polymère thermoplastique présentant chacune des tranches biseautées et à l'étape b), on applique lesdites deux quatrièmes plaques sur lesdites troisième et deuxième plaques de façon que lesdites tranches biseautées s'appliquent l'une sur l'autre. De la sorte, on forme un ensemble stratifié de trois couches de plaques, dont au moins deux niveaux résultent de la jonction bord à bord en biseau de deux plaques. Conséquemment, on obtient après moulage des pièces homogènes offrant une meilleure résistance mécanique à la déformation. Préférentiellement, lesdites quatrièmes plaques présentent une épaisseur supérieure à 0,5 mm, par exemple 1,5 mm. [0013] Grâce à une telle épaisseur de plaques, on réalise des préformes avec un nombre limité de plaques et ainsi on diminue le temps de cycle de production des pièces composites. [0014] En outre, lesdites tranches biseautées appliquées l'une sur l'autre sont décalées trans- versalement par rapport à ladite autre tranche biseautée appliquée contre ladite une tranche biseauté. De la sorte, on vient espacer dans la pièce composite, les zones de jonction bord à bord des plaques et partant, on diminue les risques de rupture des pièces composites. [0015] Par ailleurs, entre l'étape a) et l'étape b), on taille en biseau ladite au moins une portion dudit bord de ladite deuxième plaque de manière à former une tranche biseautée formant un angle inférieur à 45c par rapport à ladite une desdites faces opposées de ladite deuxième plaque. De la sorte, on réduit la surpression locale au niveau du bord de plaque et les risques de lacune matière lors du pressage dans le moule. [0016] Au surplus, entre l'étape a) et l'étape b), on taille en biseau ladite au moins une portion dudit bord de ladite deuxième plaque par usinage mécanique. On obtient de la sorte une meilleure précision de l'angle de la tranche biseautée. [0017] D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la des- cription faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0018] [fig.1] est une vue schématique partielle d'éléments en cours d'élaboration selon la méthode de fabrication conforme à l'invention ; [0019] [fig.2] est une vue schématique de détail d'un élément représenté sur la Figure 1 ; [0020] [fig.3A] est une vue schématique partielle en coupe droite d'une étape de fabrication d'une pièce composite selon l'art antérieur ; [0021] [fig.313] est une vue schématique partielle en coupe droite d'une étape de fabrication d'une pièce composite selon l'invention conformément à une première variante de mise en oeuvre ; [0022] [fig.4] est une vue schématique partielle en coupe droite du mode de fabrication d'une pièce composite selon l'invention conformément à une deuxième variante de mise en oeuvre ; [0023] [fig.5] est un organigramme de mise en oeuvre de la méthode de fabrication selon l'invention conformément à la première variante ; [0024] [fig.6] est une vue schématique de l'objet de la Figure 3B selon une phase ultime de transformation conformément à la méthode de fabrication selon l'invention ; et, [0025] [fig.7] est un organigramme de mise en oeuvre de la méthode de fabrication selon l'invention conformément à une seconde variante. [0026] La Figure 1 montre une première plaque 10 d'un matériau composite à matrice polymère thermoplastique incluant des fibres de renfort et une deuxième plaque 12 d'une même composition. La première plaque 10 présente une première face supérieure 20 opposée à une première face inférieure 22 et un premier bord 24, tandis que la deuxième plaque 12 présente une deuxième face supérieure 14 opposée à une deuxième face inférieure 16 et un deuxième bord 18. [0027] Les deux plaques 10, 12 sont par exemple découpées dans des bandes pultrudées, obtenues à partir de fibres de renfort en carbone et comme matériau polymère, de polyétheréthercétone, ou PEEK. Préférentiellement, les plaques sont constituées d'une pluralité de couches de fibres sous forme de plis, noyées dans le polymère thermoplastique. Leur épaisseur est dans l'exemple présenté ici, de 1,5 mm. Des plaques composites d'une épaisseur supérieure, par exemple de 2 mm permettent d'améliorer plus encore la productivité à travers la diminution du temps de cycle, comme on l'expliquera ci-après. Des épaisseurs supérieures à 2 mm sont également envisagées. Les plaques 10, 12 sont ainsi relativement rigides car le polymère utilisé présente une température de transition vitreuse égale à 143 °C et un point de fusion de 343 'C. [0028] Aussi, les deux plaques 10, 12 représentées sur la Figure 1 sont destinées à être ap- pliquées l'une sur l'autre, puis comprimées à chaud pour former une seule pièce comme on l'expliquera ci-après. On observera sur la Figure 1 que le deuxième bord 18 de la deuxième plaque 12 s'étend en retrait par rapport au premier bord 24 de la première plaque 10. Partant, lorsque les deux plaques 10, 12 sont appliquées l'une sur l'autre, le deuxième bord 18 forme un rebord sur la première face supérieure 20 de la première plaque 10 et qui s'étend à distance du premier bord 24 de la première plaque 10. [0029] Ainsi, en se référant également à l'organigramme de la Figure 5, outre une première étape 26 selon laquelle on fournit les première 10 et deuxième 12 plaques composites, on taille en biseau une portion du deuxième bord 18 selon une deuxième étape 28. La Figure 2 illustre ainsi en détail le deuxième bord 18 de la deuxième plaque 12 taillé en biseau et formant alors une tranche biseautée 30. On retrouve également sur cette Figure 2, la deuxième face supérieure 14 opposée à la deuxième face inférieure 16. Différentes techniques de découpe permettent ce taillage en biseau. L'usinage jet d'eau permet une découpe en biseau à un coût avantageux. L'usinage mécanique, permet lui, un angle de découpe, entre la tranche biseautée 30 et la face inférieure 16, relativement faible. Ainsi, cet angle est par exemple, sur la Figure 2, de 30°. Des valeurs inférieures peuvent être obtenues sans difficulté et sont avantageuses dans certaines circonstances que l'on décrira ci-après. [0030] Ensuite, selon une troisième étape 32 telle qu'illustrée sur la Figure 5, on appose la deuxième plaque 12 sur la première plaque 10 de manière à ce que la deuxième face inférieure 16 vienne en appui contre la première face supérieure 20 et que la tranche biseautée 30 vienne s'étendre en retrait du premier bord 24 de la première plaque 10 comme l'illustre partiellement la Figure 3B. Ainsi, la tranche biseautée 30 forme un angle sensiblement égal à 30° avec l'interface entre la première face supérieure 20 et la deuxième face inférieure 16. On réalise de la sorte une préforme 35, partiellement représentée sur la Figure. [0031] Aussi, selon une quatrième étape 34, telle que représentée sur la Figure 5, on fournit de l'énergie thermique à la préforme 35 de manière à ce que le polymère thermo- 6 plastique de la matrice se ramollisse et soit porté à l'état visqueux. Une telle étape est par exemple réalisée par conduction et/ou par convection ou encore par rayonnement. Puis dans une cinquième étape 36, on procède au thermo-estampage dans un moule adapté 38, et que l'on a représenté partiellement sur la Figure 6, avec une empreinte supérieure 40 et une empreinte inférieure 42. [0032] On y retrouve la préforme 35, laquelle présente les deux plaques superposées 10, 12. Elle présente une surface sensiblement continue et libre, de la portion de première plaque 10 comprise entre le premier bord 24 de la première face supérieur 20 jusqu'à la deuxième face supérieure 14 en passant par la tranche biseautée 30. L'empreinte supérieure 40 présente deux pans parallèles, un pan inférieur 44 et un pan supérieur 46 en décrochement l'un par rapport à l'autre et reliés l'un à l'autre par un pan en biais 48. L'empreinte inférieure 42 est plane et reçoit en appui la première face inférieure 22 de la première plaque 10. [0033] De la sorte, lorsque l'empreinte supérieure 40 et l'empreinte inférieure 42 sont en- traînées l'une vers l'autre de manière à prendre en sandwich la préforme 35, afin de la comprimer et de la mouler selon les conformations de la pièce composite à obtenir, il y a coopération de forme entre l'empreinte supérieure 40 et le deuxième bord 18 de la plaque supérieure 12. En effet, le pan inférieure 44 de l'empreinte vient s'appliquer à plat contre la première face supérieure 20 et le pan supérieur 46, contre la deuxième face supérieure 14, tandis que le pan en biais 48 s'applique à plat contre la tranche biseautée 30. Par conséquent, lors du pressage de la préforme 35, non seulement les deux plaques 10, 12 vont adhérer l'une à l'autre, mais aussi la répartition des contraintes sera sensiblement uniforme, notamment au niveau du deuxième bord 18. Partant, la pièce qui en résultera, présentera une résistance mécanique isotrope. [0034] Aussi, cette répartition uniforme des contraintes lors du pressage de la préforme 35, demeure lorsque celle-ci présente un décalage d'ajustement latéral vis-à-vis de l'empreinte supérieure 40. En effet, compte tenu des modes de chargement de la préforme 35 à l'intérieur du moule 38, ces décalages d'ajustement sont inévitables. [0035] Afin de mettre en relief les avantages de la mise en oeuvre d'un bord en biseau, on se référera à la Figure 3A sur laquelle le bord droit n'a pas été taillé. [0036] On retrouve sur cette Figure tous les éléments représentés sur la Figure 6 sous une forme identique excepté le bord 18' qui est droit. Aussi tous les éléments repérés seront référencés avec une référence analogue à celles des éléments de la Figure 6 affectée d'un signe : Ainsi, il n'y a plus la coopération de forme entre l'empreinte supérieure 40' et le deuxième bord 18' de la plaque supérieure 12'. En effet, si le pan inférieure 44' de l'empreinte vient bien s'appliquer à plat contre la première face supérieure 20' et le pan supérieur 46', contre la deuxième face supérieure 14', le pan en biais 48' lui ne s'applique pas à plat contre le deuxième bord 18', lequel est droit, mais il vient 7 l'écraser. Par conséquent, le polymère à l'état visqueux se voit entraîner plus ou moins bien dans l'empreinte supérieure 40', ce qui peut provoquer l'apparition de lacunes et à l'inverse de surpression locale. Par conséquent, la répartition des contraintes sera non-uniforme au niveau du deuxième bord 18'. Et partant, la résistance mécanique de la pièce qui en résultera, ne sera pas parfaitement isotrope au niveau du deuxième bord [0037] On se référera à présent aux Figures 4 et 7, illustrant l'invention selon une seconde variante d'exécution. [0038] Selon une première étape 50 illustrée sur la Figure 7, on fournit d'une part une première première plaque 52 et une deuxième première plaque 54 et d'autre part, une première deuxième plaque 56 et une deuxième deuxième plaque 58. Tout comme dans la variante précédente, les plaques 52, 54, 56, 58 sont faites d'un matériau composite à matrice polymère thermoplastique incluant une pluralité de plis de renfort. Elles présentent toute la même épaisseur. [0039] Ces plaques composites 52, 54, 56, 58 sont illustrées pré-agencées sur la Figure 4. Aussi, la première première plaque 52 présente une première première surface supérieure 60 et une première première surface inférieure opposée 62 ainsi qu'un premier premier bord 61. La deuxième première plaque 54 présente une deuxième première surface supérieure 64 opposée à une deuxième première surface inférieure 66, ainsi qu'un deuxième premier bord 65. La première deuxième plaque 56 présente une première deuxième surface inférieure 68 ainsi qu'un premier deuxième bord 69 et la deuxième deuxième plaque 58 présente une deuxième deuxième surface inférieure 70 ainsi qu'un deuxième deuxième boni 71. [0040] Selon une deuxième étape 52 les bonis 61, 65, 69, 71 ont été taillés en biseau. Ainsi, le premier premier bord 61 présente une première première tranche biseautée 72 formant un angle de 30° par rapport à la première première surface supérieure à 60. Le deuxième premier bord 65 présente une deuxième première tranche biseautée 74 formant un angle de 150° par rapport à la deuxième première surface supérieure 64. Le premier deuxième bord 69 présente une première deuxième tranche biseautée 76 formant un angle de 30° avec la première deuxième surface inférieure 68. Et le deuxième deuxième boni 71 présente une deuxième deuxième tranche biseautée 78 formant un angle de 150° par rapport à la deuxième deuxième surface inférieure 70. [0041] Aussi, les plaques composites 52, 54, 56, 58 sont, dans une troisième étape 80, agencées conformément à la Figure 4. [0042] Ainsi, la première première plaque 52 et la deuxième première plaque 54 sont ajustées bord à bord dans le prolongement l'une de l'autre, de manière à ce que la première première tranche biseautée 72 vienne s'appliquer à plat sur la deuxième première tranche biseautée 74. Aussi, la première deuxième plaque 56 est appliquée à 8 cheval sur la première première plaque 52 et la deuxième première plaque 54, tandis que la deuxième deuxième plaque 58 est appliquée sur la première première plaque 52 de manière à ce que la deuxième deuxième tranche biseautée 78 vienne s'appliquer à plat sur la première deuxième tranche biseautée 76 de la première deuxième plaque 56. Partant, les jonctions biseautées sont décalées transversalement l'une par rapport à l'autre. On obtient ainsi une nouvelle préforme 81. [0043] Après une quatrième étape 82 selon laquelle on fournit de l'énergie thermique à la nouvelle préforme 81 et une cinquième étape 84 dc thermo-estampage dans un moule on obtient une pièce stratifiée présentant une excellente résistance mécanique à la déformation. En effet, grâce aux tranches biseautées, on obtient un coeur de pièce relativement isotrope sans lacune et présentant moins de concentration de contraintes. [0044] Comparativement à une préforme conçue de manière analogue dans laquelle les bords des plaques n'ont pas été taillés en biseau, mais sont droits, la résistance mécanique en traction selon une direction parallèle aux plaques et perpendiculaire aux bords est améliorée de 25%. On améliore plus encore cette résistance mécanique lorsque les tranches biseautées présentent des angles inférieurs à 30' et respectivement supérieures à 150'. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]