Brevet FR3089854A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU COMPOSITE SOUS FORME DE SANDWICH [0001] L'invention concerne le domaine des produits en matière composite ou matériaux composites. Par produits en matériaux composites, on entend un produit comportant une matrice en résine constituée d'une matière polymérique, en particulier, thermoplastique ou thermodurcissable, cette matrice étant renforcée par un matériau ayant un point de fusion plus élevé que le point de fusion de la matière polymérique. On parle généralement de FRP pour « Fiber reinforced plastic ». [0002] Les matériaux composites de type FRP sont bien connus depuis de nombreuses années. Ils présentent une bonne résistance mécanique par rapport au poids du matériau. Ils présentent également une très bonne résistance à la corrosion [0003] Ils présentent des propriétés supérieures à celles des composants pris séparément. [0004] Ils permettent notamment, dans le domaine de l'automobile ou de l'aéronautique, l'allégement de pièces traditionnellement réalisées en acier. [0005] Ils présentent également une bonne tenue à la fatigue. [0006] Les renforts du composite peuvent être obtenus de différentes manières : par l'ajout de fibres minérales dispersées dans la matrice, par l'utilisation d'une armature en acier ou matériau de synthèse, par l'utilisation d'un tissu en fibres de renfort, par l'utilisation de non-tissés ou de mats ou autres produits obtenus par des procédés textiles.. [0007] Les renforts en tissus présentent une structure plane et sont composés de fils de trame et de fils de chaîne se croisant et s'entrelaçant perpendiculairement. Leur fabrication nécessite l'utilisation d'une bobine distincte par fil de chaine. [0008] Plus récemment, est apparu l'utilisation de renforts tricotés. Par renforts tricotés, on entend un produit obtenu généralement d'un fil continu où le fil forme des mailles entrelacées, disposées en rangs successifs. La réalisation d'un tricot traditionnel ne nécessite qu'une bobine de fil pour le fil de maille. [0009] Un fil peut être de type monofilament ou multifilaments. Le multifilaments peut être un roving (c'est-à-dire ensemble de filaments continus parallèles assemblés sans torsion), un filé de fibres (c'est-à-dire un ensemble de fibres courtes discontinues assemblées par torsion) Un fil peut également être un assemblage de plusieurs fils ou filaments de matières différentes. Cet assemblage peut se faire par retordage, guipage... Il est donc possible de réaliser un fil comportant de la matière polymérique et de la matière de renfort. Par exemple, il est possible de réaliser l'assemblage d'un un fil de renfort de type aramide, carbone, verre.., et d'un fil thermoplastique (Polypropylène, Polycarbonate, Polyetherimide (PEI)...). Ce type de fil est alors 2 appelé fil mixte. [0010] Le tricotage de cc type de fil mixte, permet d'obtenir une préforme, contenant à la fois le renfort et la matrice. Cette préforme est dite « sèche », par opposition au tissu préimprégné de résine gélifiée et collante appelé couramment « prepreg ». [0011] Il est en outre possible de réaliser des produits sous forme de sandwich comportant deux couches extérieures, ou peaux, en matière composite de type FRP et un corps central, ou âme, en matière plus légère de type mousse ou en matière alvéolaire de type nid d'abeille. Gracc à leur construction sous forme de sandwich, ces produits peuvent atteindre, à poids égal, de bien meilleures performances. [0012] L'imprégnation des peaux et la liaison de celles-ci à l'âme influencent les propriétés finales du composite sandwich. Une bonne imprégnation des peaux requière généralement un procédé de consolidation en plusieurs étapes; ce qui est consommateur de temps et dc ressources. Ceci est particulièrement le cas lorsque le produit fini a une forme 3D complexe. [0013] Les procédés traditionnels pour réaliser un sandwich comportent généralement les étapes suivantes : [0014] réalisation des couches extérieures à l'aide de peaux préimprégnées de matière polymérique ; juxtaposition des couches extérieures dc part et d'autre d'une âme, par exemple en nid d'abeille ou mousse ; consolidation des couches extérieures pour assurer la fusion de la matière polymérique, tout en assurant la liaison de l'ensemble des couches à l'âme. [0015] Suivant l'épaisseur des peaux, il peut être nécessaire de superposer plusieurs plis. Plusieurs cycles de cuisson peuvent alors être nécessaires pour assurer une bonne consolidation des plis de tissu composant chaque peau et assurer une bonne adhérence entre les peaux et l'âme Avec ce type de procédé de fabrication, l'âme du sandwich doit être choisie de manière spécifique pour résister à la cuisson des couches extérieures. Dans certains cas, il est apparu qu'elle se trouve altérée par la mise sous température et pression. Il a été observé par exemple que des âmes en mousse pouvaient s'affaisser ou rétrécir lors de ce traitement. [0016] De plus, il est aussi apparu que lors de la cuisson, de la matière polymérique pouvait couler dans les alvéoles du nid d'abeille. [0017] On connait par le document EP 0 770 472 AI, un procédé de fabrication d'un panneau sandwich en matériau composite avec une âme formée d'une structure à cellules ouvertes et des peaux formées de fibres et de résine. Pour éviter la fusion de la résine dans les cellules ouvertes de l'âme, le document prévoit d'interposer une membrane étanche et un film de colle entre les peaux et l'âme. Après fermeture du moule, un cycle thermique unique permet de polymériser la colle puis d'injecter la 3 résine sous pression dans les fibres et enfin de polymériser la résine. [0018] Ce procédé a cependant l'inconvénient de nécessiter l'utilisation de plusieurs couches et notamment une membrane étanche. Ce qui augmente les couts du produit fini. [0019] Le document EP 1 086 801 Al décrit un procédé de fabrication d'un panneau sandwich par la technique d'injection de résine, RTM. Pour éviter le remplissage de la structure en nid d'abeille, cc procédé nécessite la mise en place dans le moule d'un film d'un matériau intumescent et d'un tissu barrière sur chacune des faces de l'âme. [0020] Le procédé selon l'invention utilise un insert en matière résistante à la chaleur, pour former les couches extérieures, en lieu et place de l'âme et le remplacement de l'insert par l'âme lorsque les couches extérieures sont consolidées. Il ne reste plus alors qu'à effectuer un traitement thermique pour liaisonner les couches extérieures à l'âme. [0021] La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un produit en matière composite en forme de sandwich, comportant deux couches extérieures et une âme, les couches extérieures comportant une matrice en matière polymérique renforcée par des fibres, la matière polymérique présentant un point de fusion inférieur au point de fusion de la matière constituant les fibres, [0022] le procédé étant caractérisé en ce qu'il utilise un insert constitué de matière ayant un point de fusion supérieur au point de fusion de la matière polymérique, sur lequel les couches extérieures sont consolidées ; [0023] cet insert étant par la suite remplacé par l'âme du sandwich, l'ensemble subit ensuite un traitement de consolidation permettant de liaisonner les couches extérieures à l'âme. [0024] En particulier l'objet de la présente invention est un procédé de fabrication ca- ractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : [0025] - réalisation de préformes composées de matière polymérique renforcée de fibres destinées à devenir les couches extérieures du sandwich, [0026] - juxtaposition, dans un moule, d'une première préforme, de l'insert, et d'une seconde préforme, [0027] - consolidation des préformes pour obtenir les couches extérieures, par chauffage et mise sous pression, pour atteindre la température du point de fusion de la matière polymérique, sans atteindre la température du point de fusion du matériau de renfort, ni du matériau de l'insert, [0028] - retrait de l'insert, séparation des couches extérieures et insertion de l'âme du sandwich, [0029] - traitement thermique pour faire adhérer les couches extérieures à l'âme, [0030] - refroidissement du produit ainsi obtenu. [0031] Les préformes peuvent être réalisées à l'aide de tissus préimprégnés de résine po- lymérique ou sont réalisées par tricotage d'un fil comportant de la matière po- lymérique. [0032] Suivant un mode particulier de réalisation, une couche d'arrachage est ajoutée entre les préformes, aux endroits destinés à former une zone sans âme. [0033] Suivant un premier mode de réalisation, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes : [0034] a. Réalisation des couches extérieures ou peaux préimprégnées par exemple par tricotage ou par tissage de fils comportant de la matière polymérique et de la matière de renfort ; h. Juxtaposition dans un moule, d'une couche extérieure, d'un insert en matière résistante à la chaleur et d'une deuxième couche extérieure c. Mise en forme des peaux par cuisson à une température et pression qui permettent la consolidation et la fusion de la matière polymérique sans atteindre le point de fusion de la matière de renfort d. Retrait de l'insert et introduction de l'âme du sandwich, par exemple en mousse ou nid d'abeille, entre les 2 peaux préformées ; c. Cuisson de l'ensemble à une température pour permettre l'adhérence entre les couches extérieures et l'âme du sandwich. [0035] Suivant un autre mode de réalisation, les peaux sont réalisées au départ d'un textile en matière de renfort, c'est-à-dire d'un tissu ou tricot constitué de matière de renfort, et la matière polymérique est apportée par injection. [0036] Le procédé comporte alors les étapes suivantes : [0037] a. Juxtaposition dans un moule d'un tissu ou tricot de renfort, d'un insert en matière résistante à la chaleur puis d'un autre tissu de renfort b. Injection de résine de matière polymérique sous pression et température c. Retrait de l'insert et introduction de l'âme du sandwich, par exemple en mousse ou nid d'abeille, entre les 2 peaux préformées d. Cuisson de l'ensemble à une température permettant l'adhérence entre les couches extérieures et l'âme du sandwich e. Refroidissement du produit ainsi obtenu [0038] L'insert peut être rigide ou non. En particulier, il peut être en silicone. [0039] Dans certains modes de réalisation, il peut se dilater à la température. Ceci permet d'augmenter la compression lors de la consolidation. [0040] L'insert peut apporter une forme particulière au produit fini, telle que par exemple une forme en biseau. [0041] Selon certains modes de réalisation, une couche d'adhésif peut être insérée entre le corps du sandwich et les couches extérieures. Cet adhésif peut être de la colle liquide, un film adhésif ou une préforme tricotée comportant des fibres thermoplastiques. [0042] Les couches extérieures peuvent être identiques ou différentes. 100431 Avantageusement, pour obtenir un bon effet sandwich, l'épaisseur de l'âme est géné- ralement de l'ordre de 2 à 50 mm, de préférence comprise entre 3 et 40 mm et de manière encore préférée entre 5 et 25 mm., alors que l'épaisseur des peaux est de l'ordre de 0.2 à 5mm, de préférence entre 0.4 et 2 mm et de manière encore préférée entre 0.5 et 1 mm [0044] Le but de la présente invention est de fournir un procédé alternatif de fabrication d'un sandwich, notamment de fournir un procédé de fabrication qui permette de dissocier le choix de la matière du corps du sandwich et le choix de la matière des couches extérieures. [0045] Par matière polymérique, on peut citer les matières thermoplastiques telles que par exemple le polycarbonatc (PC), le polyetherimide (PEI), le polypropylène (PP), le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), polyétheréthercétone (PEEK), ou les matières thermodurcissables telles que par exemple époxy, ester de cyanatc, résine phénolique, polyester, [0046] Par matière de renfort, on peut citer les matières synthétique, telle que le para- aramide, polypropylène, les matières naturelles, telle que le lin ; les matières inorganiques telles que le verre, le quartz, le carbone, le basait, le trimai. [0047] En particulier, la matière de renfort est choisie parmi les fibres de verre, de carbone, d'aramide. [0048] La méthode selon l'invention s'est révélée particulièrement avantageuse car elle permet de dissocier le choix du type de coeur du sandwich avec le choix du procédé de transformation. Le procédé selon l'invention permet d'atteindre une bonne imprégnation des peaux extérieures. [0049] Les exemples qui suivent illustrent l'invention de manière non-limitative. [0050] Exemples Exemple 1 [0051] Plusieurs tissus de type « prepreg » en fibres de carbone imprégnés d'ester de cyanate sont drapés dans un moule en acier pour former la première peau du sandwich. [0052] Un insert rigide (par exemple un bloc Téflon® de quelques millimètres) est déposé sur les tissus. [0053] La deuxième peau du sandwich est réalisée en drapant plusieurs tissus « prepreg » sur l'insert rigide. [0054] Un tissu d'arrachage tétlonné (fibres de verre enduit de PTFE) est placé au niveau de la jonction entre les deux peaux. La jonction est la zone où les peaux se rejoignent pour couvrir le champ de l'âme. [0055] Le moule est fermé par un contre-moule souple. [0056] Les peaux sont consolidées par un traitement thermique sous vide à environ 180-220°C, durant quelques heures. 6 100571 L'ensemble est laissé à refroidir puis l'insert est retiré. [0058] Une colle résistante à haute température est appliquée sur chacune des faces destinées à être en contact avec l'âme. [0059] Une âme de type mousse de polyimidc (densité approximative de 50 kg/m3) est in- troduite en lieu et place de l'insert. [0060] L'ensemble du sandwich est ensuite soumis à un traitement final de consolidation, sous vide à une température d'environ 90-120°C, de manière à assurer une bonne adhésion des peaux et de Exemple 2 [0061] La première peau est formée par un empilement de plusieurs tissus de renfort, non imprégné, en fibres de carbone, déposé dans un moule en acier. [0062] Un insert souple (plaque silicone de quelques millimètres d'épaisseur) est déposé sur le tissu. [0063] La deuxième peau est formée par un tissu de même type déposé sur l'insert. [0064] Le moule est refermé par le contre-moule en acier. [0065] De la résine de type ester de cyanate est injectée par un procédé connu de type RTM, à une température comprise entre 80 et 120°C sous une pression de 10 à 15 bars. [0066] Le traitement thermique est prolongé durant 4 h. [0067] Le moule est laissé à refroidir puis l'insert est retiré et les peaux sont séparées en enlevant le tissu d'arrachage. [0068] Une très fine couche de résine d'ester de cyanatc est ajoutée sur les peaux (sur les faces destinées à entrer en contact avec le nid d'abeille). [0069] Une âme en nid d'abeille est introduite entre les deux peaux en lieu et place de l'insert, pour former un sandwich. [0070] L'ensemble du sandwich est soumis à un traitement thermique (180-200°C), sous vide, durant 4h de manière à liaisonner les peaux et l'âme. Exemple 3 [0071] Un tricot est réalisé à l'aide d'un fil mixte comportant des fibres de verre et des fibres thermoplastiques. [0072] Ce tricot est déposé dans un moule en acier pour former la première peau. [0073] Un insert en matière expansible sous l'effet de la température est déposé sur le tricot. [0074] Un deuxième tricot de même type est déposé sur l'insert pour former la deuxième peau. [0075] Un tissu d'arrachage téflonné (fibres de verre enduit de PTFE) est placé au niveau de la jonction entre les deux peaux. La jonction est la zone où les deux peaux se rejoignent pour couvrir le champ de l'âme. [0076] Un tissu d'arrachage téflonné est placé au niveau de la jonction entre les deux peaux. 7 100771 Le moule est refermé par un contre-moule en acier. [0078] Les peaux sont consolidées par un traitement thermique à 200- 250°C, sous une pression de 3 à 10 bars, durant quelques dizaines de minutes. [0079] Le moule est laissé à refroidir puis l'insert est retiré et les peaux sont séparées en enlevant le tissu d'arrachage [0080] Une préforme en tricot d'un fil thermoplastique est déposée de part et d'autre d'une âme en nid d'abeille, de manière à former une couche de liaison entre l'âme est les peaux du sandwich. [0081] L'âme en nid d'abeille et les préformes en tricot sont introduites entre les deux peaux, en lieu et place de l'insert, pour former un sandwich [0082] L'ensemble du sandwich est soumis à un traitement thermique (200°-250°C), sous vide, durant quelques heures, de manière à liaisonner les peaux et l'âme. Exemple 4 [0083] Un tricot est réalisé à l'aide d'un fil mixte comportant des fibres de verre et des fibres thermoplastiques. [0084] Ce tricot est déposé dans un moule en acier pour former la première peau. [0085] Un insert rigide en matière expansible sous l'effet de la température est déposé sur le tricot. [0086] Un deuxième tricot de même type est déposé sur l'insert pour former la deuxième peau; [0087] Un tissu d'arrachage téflonné est placé au niveau de la jonction entre les deux peaux. [0088] Le moule est refermé par un contre-moule en acier. [0089] Les peaux sont consolidées par un traitement thermique à 200- 250°C, sous une pression de 3 à 10 bars, durant quelques dizaines de minutes. [0090] Le moule est laissé à refroidir puis l'insert est retiré et les peaux sont séparées en enlevant le tissu d'arrachage [0091] Une âme en mousse époxy expansée est injectée entre les deux peaux, en lieu et place de l'insert, pour former un sandwich [0092] L'ensemble du sandwich est soumis à un traitement thermique (65-120°C), sous vide, durant quelques heures de manière à liaisonner les peaux et l'âme. Exemple 5 [0093] Un tricot est réalisé à l'aide d'un fil mixte comportant des fibres de verre et des fibres thermoplastiques. [0094] Un premier tricot est drapé sur une vessie en silicone et l'ensemble est déposé dans un premier moule en acier pour la consolidation de la peau externe. Le moule est refermé et le vide est tiré. Le moule est mis sous pression (3 à 10 bars) et en chauffe rapide par un chauffage de type à induction jusqu'à une température de 200 à 250°C. 8 La température est maintenue quelques minutes. Après refroidissement, la vessie est retirée et une première peau est ainsi réalisée. [0095] Une seconde peau (peau interne) est réalisée de la même manière que la première dans un deuxième moule. [0096] Dans l'outillage ayant servi à consolider la peau externe, on dépose successivement : la peau externe préalablement consolidée, un film de colle de type epoxy ou forme liquide, une structure en nid d'abeille, la peau interne préalablement consolidée du produit composite final. [0097] La vessie en silicone ayant servi à consolider la peau interne est mise en place et le moule est refermé. Le vide est tiré au maximum et l'ensemble est porté à une température de 65 à 120C pendant quelques heures (procédé de chauffe étuve) de manière à liaisonner les peaux et l'âme. 9