Brevet FR3106080A1 — publié le 20210716

L’invention concerne un dispositif de thermoformage d'une pièce composite thermoplastique à fibres longues (10), ledit dispositif comportant : - des moyens de préchauffage d’une bande (12) de ladite pièce composite thermoplastique (10) s’étend entre deux bords de ladite pièce composite thermoplastique (10) ; - un moule (14) destiné à recevoir ladite pièce composite thermoplastique (10) au niveau de ladite bande préchauffée (12), et - une presse (15) disposée en regard dudit moule (14) et configurée pour réaliser un pliage de ladite pièce composite thermoplastique (10) au niveau de ladite bande préchauffée (12) ; ledit moule (14) et/ou ladite presse (15) comportant des moyens de chauffage (16, 17) de sorte à maintenir un chauffage sur ladite pièce composite thermoplastique (10) lorsqu’une pression est exercée par ladite presse (15). Figure pour abrégé : Fig 2 DISPOSITIF DE THERMOFORMAGE DE PIECES COMPOSITES THERMOPLASTIQUES A FIBRES LONGUES, PROCEDE ET PIECE ASSOCIES L’invention concerne la mise en forme d'une pièce composite thermoplastique et, plus particulièrement, d'une pièce composite thermoplastique à hautes performances mécaniques comportant les fibres longues ou continues, par exemple des fibres de carbone ou de verre. L'invention concerne également le procédé de thermoformage et la pièce composite thermoplastique associés. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les pièces de grandes dimensions, c'est-à-dire les pièces dont la longueur est supérieure à 10 m. L'invention peut être mise en œuvre dans un grand nombre de domaines techniques pour lesquels il est recherché des pièces à hautes performances mécaniques, à faible poids et structurées en trois dimensions, par exemple dans les domaines de l'aéronautique, de l’automobile ou de la construction. Art antérieur Les pièces composites thermoplastiques se caractérisent par leurs propriétés mécaniques et, notamment, leurs aptitudes à conserver leur plasticité à chaud et leur rigidité à froid. Pour obtenir une pièce thermoplastique en trois dimensions, deux procédés distincts sont actuellement utilisés. Un premier procédé propose de réaliser directement la pièce thermoplastique en trois dimensions au moyen de l’imprégnation d'une préforme fibreuse, elle-même structurée en trois dimensions, par une résine venant lier les fibres de la préforme fibreuse lors d’une étape de réticulation. Cependant, pour réaliser l'imprégnation de la résine de manière homogène dans la préforme fibreuse, il est nécessaire de placer la préforme fibreuse dans une enceinte étanche afin de faire le vide dans l'enceinte pour obtenir l’imprégnation de la résine dans la préforme fibreuse. Ainsi, pour des pièces en trois dimensions de grandes longueurs, les dimensions de l’enceinte sous vide deviennent pratiquement irréalisables compte-tenu du volume et du coût énergétique nécessaire pour obtenir le niveau de vide nécessaire. Un second procédé de réalisation propose de former une pièce composite thermoplastique plate au moyen de l'imprégnation de la préforme fibreuse dans une enceinte de faible épaisseur, c'est-à-dire avec une épaisseur tout juste supérieure à l'épaisseur de la préforme fibreuse. Ensuite, lorsque la pièce est réalisée de manière plate, une seconde étape consiste à réaliser un estampage de cette pièce composite thermoplastique pour obtenir la forme désirée. Pour réaliser cet estampage, tel que décrit dans le document FR 2 639 867, la pièce thermoplastique entière est portée à sa température de fusion de sorte à diminuer la rigidité de la résine d'imprégnation de la préforme fibreuse puis, après cette phase de préchauffage, la pièce thermoplastique est placée entre un moule et une presse de compression. Une pression est alors appliquée par la presse tout en maintenant une température au niveau des outillages de sorte à permettre un refroidissement à vitesse maîtrisée de la pièce thermoplastique. Ce procédé d’estampage permet d’obtenir une structure cristalline ou semi cristalline appropriée et déterminante pour les propriétés mécaniques recherchées. La publication scientifique « Caractérisation du procédé d’estampage de composites thermoplastiques à fibres longues », Eddie Gazo-Hanna, Pascal Casari, Annick Perronnet, Sébastien Le Loch, Arnaud Poitou, JNC 16, Jun 2009, Toulouse, France. 8 p. ffhal-00398025, présente une étude précise du comportement d’une pièce thermoplastique à fibres longues lors de ce procédé d’estampage. Il apparait que, lors de l’étape de pressage, l’épaisseur de la pièce varie de quelques dixièmes de millimètres, traduisant une réorganisation de la matière. Ainsi, le préchauffage et le pressage de l’intégralité de la pièce permettent d’obtenir cette réorganisation homogène de la matière pour éviter les amas de matière ou les vides de sorte à garantir les caractéristiques mécaniques de la pièce thermoformée. En outre, cette étude démontre une recherche complexe des paramètres du procédé d’estampage pour limiter les défauts de la matière. Les paramètres prépondérants sur les caractéristiques finales de la pièce composite thermoformée sont : la température de préchauffage, la température des outillages lors de l’étape de pressage, la pression de formage, le temps de transfert et le temps de maintien sous pression. En effet, une faible pression appliquée peut contribuer à des défauts de délaminage et de grossissement de vides tandis qu’une pression trop forte peut contribuer à la percolation de la résine et à des variations importantes du taux de fibres local. Pour un exemple concret, une pièce composite thermoplastique peut être thermoformée par le procédé d’estampage en préchauffant la pièce thermoplastique à une température comprise entre 250 et 370°C au moyen d’un four infrarouge pendant une durée comprise entre 2 et 4 minutes avant de transporter la pièce sous une presse de 80T à 500T et d'effectuer une pression pendant 2 à 4 minutes en maintenant une température comprise entre 200 et 270°C. Ce procédé impose donc des outillages particulièrement imposants et complexes à mettre en œuvre et il n'est actuellement pas possible, avec les outillages existants, de structurer des pièces de grandes longueurs, c'est-à-dire des pièces dans la longueur est supérieure à 10 m. En effet, avec des pièces de grandes dimensions, les besoins en force d'appui de la pièce et en préchauffage de la pièce avant l'estampage et au cours du thermoformage sont tels que le coût énergétique serait exorbitant. Le problème technique de l'invention et donc de déterminer comment thermoformer des pièces composites thermoplastiques à fibres longues en conservant les hautes performances mécaniques et intrinsèques des pièces composites thermoplastiques à fibres longues tout en réduisant le coût énergétique de sorte à pouvoir adapter ce thermoformage pour des pièces de grande dimension, c'est-à-dire des pièces dont la longueur est supérieure à 10 m. Pour répondre à ce problème technique, l'invention propose de thermoformer une pièce composite thermoplastique à fibres longues au moyen d'un préchauffage et d’un pliage localisé de la pièce thermoplastique. Ainsi, contrairement au procédé d'estampage, il n'est plus nécessaire de préchauffer et de thermoformer toute la pièce composite mais, seule une bande de cette pièce composite peut être préchauffée et thermoformée, ce qui limite grandement les besoins énergétiques de préchauffage et de pressage. Contre toute attente, le préchauffage et le pliage localisé permettent d’obtenir des pièces composites thermoplastiques à fibres longues avec des hautes performances mécaniques, c’est-à-dire des performances inférieures à celles mesurées en utilisant le procédé d’estampage, mais néanmoins intéressantes pour certaines applications industrielles. Ce faisant, l’invention surmonte un préjugé technique selon lequel les hautes performances mécaniques sont nécessairement obtenues par un thermoformage de l’ensemble de la pièce pour obtenir une réorganisation complète de la matière. L’invention est donc issue d’une découverte selon laquelle une réorganisation partielle d’une pièce composite thermoplastique à fibres longues n’abaisse que légèrement les propriétés mécaniques mais la pièce reste utilisable pour un grand nombre d’applications, notamment dans le domaine de l’aéronautique, de l’automobile et de la construction. À cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de thermoformage d'une pièce composite thermoplastique à fibres longues, ledit dispositif comportant : - des moyens de préchauffage d’une bande de ladite pièce composite thermoplastique s’étendant entre deux bords de ladite pièce composite thermoplastique ; - un moule destiné à recevoir ladite pièce composite thermoplastique au niveau de ladite bande préchauffée, et - une presse disposée en regard dudit moule et configurée pour réaliser un pliage de ladite pièce composite thermoplastique au niveau de ladite bande préchauffée ; ledit moule et/ou ladite presse comportant des moyens de chauffage de sorte à maintenir un chauffage sur ladite pièce composite thermoplastique lorsqu’une pression est exercée par ladite presse. L’invention permet ainsi d'obtenir une pièce thermoplastique pliée avec un faible coût énergétique et des outillages de plus faibles dimensions puisque le moule et la presse ne nécessitent pas de couvrir toute la surface de la pièce thermoplastique mais uniquement de couvrir la bande suivant laquelle est réalisé le préchauffage et le pliage. Il s’ensuit que l'invention peut être mise en œuvre pour plier, une ou plusieurs fois, une pièce thermoplastique allant de quelques centimètres a plus de 10 m. Contrairement au procédé d'estampage, il est possible de chauffer beaucoup moins longtemps la pièce composite thermoplastique lors du préchauffage ainsi que lors du thermoformage car il n’est pas recherché une réorganisation complète de la matière mais uniquement une réorganisation locale. Typiquement, le préchauffage peut être réalisé pendant une durée comprise entre une et deux minutes, au lieu de deux à quatre minutes pour le procédé d'estampage, avec une température similaire comprise entre 250 et 350°C. De même, le temps de thermoformage sous la presse peut être compris entre une à deux minutes en maintenant une température comprise entre 200 et 270°C contrairement au temps de thermoformage compris entre deux et quatre minutes dans le procédé d'estampage. En outre, la presse, le moule et la chambre de préchauffage peuvent avoir des dimensions très réduites par rapport aux outillages utilisés avec le procédé d’estampage. De préférence, la largeur de la bande est comprise entre 3 et 10 cm. En considérant une largeur de la bande de 5cm et une pièce composite thermoplastique à thermoformer de 1m de longueur pour 1m de largeur, le procédé d’estampage nécessite un four avec une enceinte minimale de 1m² ainsi qu’un moule et une presse d’une surface minimum de 1m². Pour une presse de 10 000kN, le poids des outillages serait proche de 900kg. Pour ce même exemple, l’invention nécessite uniquement un four de 1m de longueur et de 5cm minimum de largeur ainsi qu’une presse et un moule de dimensions équivalentes. Le poids des outillages serait réduit à environ 120kg pour la même force d’appui de 10 000kN. Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de thermoformage d'une pièce composite thermoplastique à fibres longues, ledit procédé comportant les étapes suivantes : - préchauffage d’une bande de ladite pièce composite thermoplastique s’étend entre deux bords de ladite pièce composite thermoplastique ; - déplacement de ladite pièce composite thermoplastique de sorte à disposer ladite bande préchauffée entre une presse et un moule ; - thermoformage de ladite pièce composite thermoplastique au niveau de ladite bande préchauffée. De préférence, le préchauffage et le thermoformage sont réalisés sur une bande de ladite pièce composite thermoplastique dont la longueur est décalée d’au moins 30° d’un axe d'élongation des fibres dans ladite pièce composite thermoplastique. En effet, il peut être préférable de décaler la ligne de pliage de la ligne d’élongation des fibres de la pièce composite thermoplastique pour améliorer la résistance mécanique de la pièce thermoformée. Selon un troisième aspect, l’invention concerne une pièce composite thermoplastique réalisée par le procédé de thermoformage selon le second aspect de l’invention, la pièce composite thermoplastique comportant des fibres de verre, de carbone ou d’aramide et une matrice en sulfure de polyphénylène (PPS), en polyétheréthercétone (PEEK), en polyéthercétonecétone (PEKK), en polyétherimide (PEI) ou en polyamide (PA). En décalant l’axe d’élongation des fibres et l’axe de la bande de pliage, les caractéristiques mécaniques de la pièce thermoformée peuvent être garanties. Description sommaire des figures La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien des modes de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures 1 à 3 qui constituent : Figure 1 : une représentation schématique en coupe d’une pièce composite thermoplastique dans une première étape de préchauffage selon un mode de réalisation de l’invention ; Figure 2 : une représentation schématique en coupe d’une pièce composite thermoplastique dans une seconde étape de déplacement de la pièce composite thermoplastique entre une presse et un moule selon un mode de réalisation de l’invention ; et Figure 3 : une représentation schématique en coupe d’une pièce composite thermoplastique dans une troisième étape de thermoformage selon un mode de réalisation de l’invention. Description détaillée de l’invention Les figures 1 à 3 illustrent les trois étapes essentielles du procédé de thermoformage d’une pièce composite thermoplastique 10 conforme à l’invention En outre, d’autres étapes d’usinage ou de traitement de la pièce composite thermoplastique peuvent être réalisées sans changer l’invention en même temps que l’une ou l’autre de ces trois étapes. La figure 1 illustre la première étape consistant à préchauffer la pièce composite thermoplastique 10 . L'invention trouve une application pour les pièces composites thermoplastiques à fibres longues, continues ou discontinues, c’est-à-dire les pièces composites comportant une préforme fibreuse avec des fibres dont la longueur est supérieure à 1cm. Ces fibres peuvent s’étendre sur toute la longueur de la pièce composite, cas des fibres continues, ou sur une partie seulement d’une dimension de la pièce composite, cas des fibres discontinues. De préférence, pour obtenir une pièce composite thermoplastique hautes performances, les fibres sont réalisées en verre, en carbone ou en aramide et la matrice est réalisée en sulfure de polyphénylène (PPS), en polyétheréthercétone (PEEK), en polyéthercétonecétone (PEKK), en polyétherimide (PEI) ou en polyamide (PA). Bien entendu, d’autres matériaux peuvent être utilisés sans changer l’invention. En outre, la pièce composite thermoplastique 10 peut se présenter sous la forme d’une plaque consolidée, d’une préforme thermoplastique consolidée ou pré-consolidée. Dans une pièce composite thermoplastique à fibres longues, les fibres s’étendent préférentiellement parallèlement les unes aux autres selon un axe d’élongation, qui correspond généralement à la longueur de la pièce composite thermoplastique. Pour réaliser un ou plusieurs pliages selon l’invention, chaque ligne de pliage s’étend préférablement avec un angle d’au moins 30° avec l’axe d’élongation. Plus précisément, une ligne de pliage est définie en sélectionnant une bande 12 , dans la pièce composite thermoplastique 10 , qui s’étend entre deux bords de la pièce composite thermoplastique 10 . Dans la première étape, cette bande 12 est préchauffée au moyen d’un four 11 permettant de chauffer localement cette bande 12 de la pièce composite thermoplastique 10 . Typiquement, la bande 12 peut présenter une largeur comprise entre 3 et 10 centimètres. Cette largeur dépend bien évidemment de l'épaisseur de la pièce composite thermoplastique 10 . Le four 11 peut être réalisé par tous les types de four connus et, notamment, les fours infrarouges. Cette étape de préchauffage est préférentiellement réalisée pendant une durée comprise entre une et deux minutes à une température comprise entre 250 et 350°C en fonction des caractéristiques de la pièce composite thermoplastique 10 à plier. En outre, si plusieurs pliages sont requis sur cette pièce composite thermoplastique 10 , il est possible de préchauffer plusieurs bandes 12 juxtaposées de cette pièce composite thermoplastique 10 pour réaliser plusieurs pliages le long de ces bandes 12 . À l'issue de cette étape de préchauffage, la pièce composite thermoplastique 10 est déplacée jusqu'à ce que la bande préchauffée 12 soit déposée entre un outillage supérieur 15 et un outillage inférieur 14 , par exemple un poinçon et une plieuse. Les outillages 14 - 15 comportent préférentiellement des outils adaptés à la forme du pliage désiré, par exemple un pliage en équerre tel qu'illustré sur les figures 2 et 3. En outre, les outillages 14 - 15 intègrent des moyens de chauffage 16 et 17 pour maintenir un chauffage sur la pièce composite thermoplastique 10 lorsqu'une pression est appliquée par les outillages 14 - 15 pour obtenir un thermoformage. Les figures 2 et 3 illustrent des moyens de chauffage 16 intégrés dans l’outillage inférieur 14 ainsi que des moyens de chauffage 17 intégrés dans l’outillage supérieur 15 . En variante, des moyens de chauffage 16 , 17 peuvent uniquement être intégrés un des outillages 14 - 15 . Typiquement, ce thermoformage est réalisé pendant une durée comprise entre une et deux minutes à une température comprise entre 200 et 270°C. Bien entendu, d'autres pliages peuvent être réalisés que celui en équerre avec des angles plus ou moins importants. Lors du thermoformage, la température est maintenue dans les outillages 14 - 15 et, à l'issue de ce thermoformage, les outillages 14 - 15 sont déplacés pour libérer et extraire la pièce composite thermoplastique 10 . En variante, plusieurs pliages peuvent être réalisés successivement par plusieurs outillages 14 - 15 juxtaposés ou en réutilisant les mêmes outillages 14 - 15 pour former des pliages d'angle identique. À l'issue de cette étape de thermoformage, la pièce composite thermoplastique 10 redescend à température ambiante et sa structure cristalline redevient solide et reprend des caractéristiques mécaniques hautes performances adaptées notamment aux domaines automobile et aéronautique. La compacité des outillages 14 - 15 nécessaires pour réaliser le préchauffage et le pliage peuvent s'intégrer dans une ligne de production sous forme de modules spécifiques, par exemple en sortie d'une étape de protrusion pour créer des cavaliers ou des épingles. L’invention permet ainsi de plier des pièces composites thermoplastiques 10 de grande longueur, c’est-à-dire supérieure à 10m, car le pliage est réalisé de manière localisé. Il est également possible d'utiliser l’invention sur des pièces composites thermoplastiques 10 à épaisseur variable avec un jeu d'outils spécifiques. Dispositif de thermoformage d'une pièce composite thermoplastique à fibres longues (10), ledit dispositif comportant : - des moyens de préchauffage (11) d’une bande (12) de ladite pièce composite thermoplastique (10) s’étend entre deux bords de ladite pièce composite thermoplastique (10) ; - un moule (14) destiné à recevoir ladite pièce composite thermoplastique (10) au niveau de ladite bande préchauffée (12), et - une presse (15) disposée en regard dudit moule (14) et configurée pour réaliser un pliage de ladite pièce composite thermoplastique (10) au niveau de ladite bande préchauffée (12) ; ledit moule (14) et/ou ladite presse (15) comportant des moyens de chauffage (16, 17) de sorte à maintenir un chauffage sur ladite pièce composite thermoplastique (10) lorsqu’une pression est exercée par ladite presse (15). Dispositif de thermoformage selon la revendication 1, dans lequel la largeur de la bande est comprise entre 3 et 10 cm. Procédé de thermoformage d'une pièce composite thermoplastique à fibres longues (10), ledit procédé comportant les étapes suivantes : - préchauffage d’une bande (12) de ladite pièce composite thermoplastique (10) s’étend entre deux bords de ladite pièce composite thermoplastique (10) ; - déplacement de ladite pièce composite thermoplastique (10) de sorte à disposer ladite bande préchauffée (12) entre une presse (15) et un moule (14) ; - thermoformage de ladite pièce composite thermoplastique (10) au niveau de ladite bande préchauffée (12). Procédé de thermoformage selon la revendication 3, dans lequel le préchauffage est réalisé pendant une durée comprise entre une et deux minutes. Procédé de thermoformage selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le préchauffage est réalisé avec une température comprise entre 250 et 350°C. Procédé de thermoformage selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel le thermoformage est réalisé pendant une durée comprise entre une et deux minutes. Procédé de thermoformage selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel le thermoformage est réalisé avec une température comprise entre 200 et 270°C. Procédé de thermoformage selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel le préchauffage et le thermoformage sont réalisés sur une bande (12) de ladite pièce composite thermoplastique (10) dont la longueur est décalée d’au moins 30° d’un axe d'élongation des fibres dans ladite pièce composite thermoplastique (10). Pièce composite thermoplastique (10) réalisée par le procédé de thermoformage selon l’une des revendications 3 à 8, dans l a quel le la pièce composite thermoplastique (10) comporte des fibres de verre, de carbone ou d’aramide. Pièce composite thermoplastique selon la revendication 9, dans l a quel le la pièce composite thermoplastique (10) comporte une matrice en sulfure de polyphénylène (PPS), en polyétheréthercétone (PEEK), en polyéthercétonecétone (PEKK), en polyétherimide (PEI) ou en polyamide (PA).