Brevet FR3118900A1 — publié le 20220722

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce (1) creuse en matériau composite comprenant une matrice polymérique et des fibres noyées dans la matrice polymérique, la pièce (1) comprenant une enveloppe (2) délimitant une cavité (3) interne, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - (a) Fournir une préforme (4) de la pièce (1) comprenant des plis (4a) jointifs formés des fibres et de la matrice polymérique; - (b) Hydrater la préforme (4) ; - (c) Traiter thermiquement la préforme (4) à une température supérieure à une température initiale ambiante pour créer un dégagement gazeux au sein de la matrice, le dégagement gazeux ayant pour effet de faire gonfler la préforme (4) en éloignant les plis (4a) l’un de l’autre pour créer ladite cavité (3) interne. Figure d’abrégé : Figure 1 PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE CREUSE EN MATERIAU COMPOSITE Domaine technique de l'invention L’invention concerne le domaine technique de la fabrication des pièces creuses en matériau composite, plus particulièrement en matériau composite à matrice organique (CMO). L’invention concerne plus particulièrement les pièces creuses en matériau composite dont la température de cuisson est supérieur à 300°C. Les pièces sont notamment destinées à l’industrie aéronautique et aérospatiale. Arrière-plan technique Un matériau composite est généralement formé d’une matrice renforcée par des fibres noyées dans la matrice. Plus particulièrement, dans le cadre des composites à matrice organique, appelés composite CMO, la matrice organique est formée d’un matériau thermoplastique ou thermodurcissable. Les fibres sont par exemple des fibres longues ou courtes telles que des fibres de carbone, des fibres de verre ou toute fibre convenant selon les applications. Compte tenu de leur faible poids comparé au matériau métallique tel que l’acier, les matériaux composites à matrice organique trouvent de nombreuses applications dans l’industrie aéronautique ou aérospatiale. Ainsi, de nombreuses pièces structurelles d’aéronef par exemple sont réalisées dans ces matériaux composites. Afin de davantage réduire le poids des aéronefs et d’en augmenter les performances globales, il a été proposé de réaliser des pièces structurelles creuses. Les pièces composites creuses comprennent typiquement une enveloppe délimitant une cavité interne. La section de la pièce structurelle peut être circulaire, rectangulaire ou de toute géométrie selon la pièce. Ces pièces structurelles creuses en matériau composite sont fabriquées selon plusieurs étapes. Généralement, une première étape de fourniture d’une préforme est réalisée. Durant cette étape, des plis formés d’un pré imprégné sont drapés autour d’un noyau. Le noyau est par exemple une vessie souple en matériau silicone. La vessie souple présente par ailleurs une interface apte à coopérer avec un dispositif de mise en pression externe. Les plis sont ensuite placés dans un moule démontable présentant une surface interne d’une géométrie conforme à la géométrie de la pièce souhaitée. Ensuite, une pression est appliquée à l’intérieur du noyau. Ceci permet de faire gonfler le noyau de sorte à plaquer les plis contre la surface interne du moule et de former une préforme présentant une enveloppe et une cavité interne occupée par le noyau. Par ailleurs, lors de cette mise en pression, la préforme est soumise à un traitement thermique, appelé cuisson, durant lequel le matériau de la matrice de la préforme est complètement durci. Le noyau est apte à résister aux pressions et aux températures nécessaires à la cuisson de la préforme composite. Compte tenu de certains niveaux de températures, certaines résines ne peuvent être mises en œuvre pour former la matrice du composite par la méthode du noyau formé par la vessie souple en silicone. Par exemple, les résines polyimides ne peuvent être employées car leur température de polymérisation est de l’ordre de 350°C. Or, un noyau formé d’une résine en silicone ne peut résister à de telles températures. En outre, les résines polyimides pré imprégnés contiennent des solvants qu’il faut évacuer sous forme volatile lors de la cuisson ce qui n’est pas faisable avec une telle méthode. Un tel procédé de fabrication est donc inadapté pour les pré imprégnés polyimides. Par ailleurs, lorsque le durcissement de la résine est achevé, le démoulage de la préforme peut avoir lieu. Une fois la préforme démoulée, le noyau doit être retiré pour obtenir la pièce creuse finale. Le noyau doit être retiré par un orifice ménagé dans l’enveloppe de la préforme. La taille de l’orifice doit être au moins égale à la taille du noyau pour autoriser son passage. Cette étape est ainsi complexe à mettre en œuvre. Il existe par conséquent un besoin de fournir un procédé de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite, en particulier haute température, qui soit simple à mettre en œuvre. A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce creuse en matériau composite comprenant une matrice polymérique et des fibres noyées dans la matrice polymérique, la pièce comprenant une enveloppe délimitant une cavité interne, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : -(a) fournir une préforme de la pièce comprenant des plis jointifs formés des fibres et de la matrice polymérique; -(b) hydrater la préforme ; -(c) traiter thermiquement la préforme à une température supérieure à une température initiale ambiante pour créer un dégagement gazeux au sein de la matrice, le dégagement gazeux ayant pour effet de faire gonfler la préforme en éloignant les plis l’un de l’autre pour créer ladite cavité interne. Ainsi, selon l’invention, une fois la préforme formée, cette dernière est hydratée. La préforme comprend ainsi des molécules d’eau. Lors du traitement thermique de l’étape (c) l’eau adsorbée par la préforme devient gazeuse et se concentre dans la zone moins cohésive de la préforme jusqu’à délaminer et créer une cavité dans la préforme en poussant les parties délaminées. Une pièce creuse est ainsi obtenue. Par conséquent, le procédé selon l’invention permet de s’affranchir d’un noyau pour former la cavité interne de la pièce. Aussi, il n’est plus nécessaire d’appliquer une pression élevée pour créer la cavité ce qui facilite la mise en œuvre du procédé. Le procédé est d’autant plus simplifié que selon l’invention, il n’est plus nécessaire de procéder à une étape de retrait du noyau. Le procédé selon l’invention comprend les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison les unes avec les autres : - la concentration massique d’eau dans la préforme est supérieure à 0,5% et inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1% à l’issue de l’étape (b) d’hydratation ; - le traitement thermique de l’étape est réalisé à une température plateau comprise entre 300°C et 400°C, de préférence entre 300°C et 380°C ; - l’étape (c) comprend les sous étapes suivantes : - (c1) incrémenter la température initiale de 1 à 2°C par minute jusqu’à atteindre une première température ; - (c2) incrémenter la première température de 0,5°C par minute jusqu’à atteindre la température plateau; - (c3) maintenir la température plateau pendant une durée comprise entre 0 heure et 6 heures. - l’étape (a) comprend les sous étapes suivantes : - (a1) draper au sein d’un moule les plis formés des fibres imprégnées d’une résine destinée à former la matrice; - (a2) optionnellement, insérer un séparateur entre les plis ; - (a3) traiter thermiquement les plis afin de polymériser la résine pour former la matrice et la préforme ; - la préforme comprend au moins une bride d’extrémité permettant de délimiter le gonflement de la préforme ; - lors de l’étape (c), la préforme coopère avec un moule pour délimiter le gonflement de la préforme ; - la cavité présente une hauteur comprise entre 5 mm et 200 mm ; - l’étape (b) est réalisée à une température initiale comprise entre 20°C et 80°C et à une humidité relative de l’air comprise entre 50% et 90%. - le matériau de la matrice polymérique est choisi parmi les résines de la famille des polyimides, par exemple de type PMR-15 ou les résines de la famille des phtalonitriles ou un mélange de celles-ci. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est une représentation schématique en coupe transversale d’une pièce creuse en matériau composite ; la est une représentation schématique en coupe transversale d’une préforme selon l’invention ; la est une représentation schématique d’une préforme après l’étape d’hydratation et de traitement thermique ; la est une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’une préforme avec un séparateur selon un premier exemple de réalisation ; la est une représentation schématique d’un autre exemple de réalisation d’une préforme avec un séparateur ; la est une représentation schématique d’un exemple de maintien d’une préforme avant l’étape de traitement thermique ; la est une représentation schématique de l’exemple de la dans une autre étape du procédé ; la est une représentation schématique d’un autre exemple de réalisation de maintien d’une préforme avant l’étape de traitement thermique; la est une représentation schématique de l’exemple de la dans une autre étape du procédé ; la est une représentation schématique d’un procédé selon l’invention. Description détaillée de l'invention Un exemple d’une pièce 1 creuse en matériau composite est par exemple représentée en coupe transversale sur la . La pièce 1 est par exemple une pièce structurelle destinée à équiper une turbomachine d’un aéronef (non représenté). La pièce 1 est par exemple une aube ou un bras de carter. La pièce 1 présente dans l’exemple de la une section rectangulaire. Cependant, la pièce 1 peut être de section circulaire, ou de toute autre section selon les applications. La pièce 1 est réalisée en un matériau composite. Le matériau composite comprend une matrice et des fibres noyées dans la matrice. Optionnellement, le matériau composite comprend également des additifs. Les fibres sont par exemple des fibres de verre, de quartz ou de carbone. De manière préférée, les fibres sont tissées. La matrice est une matrice polymérique. Le matériau de la matrice polymérique est choisi parmi les résines de la famille des polyimides par exemple de type PMR-15 ou de type RM1100 ou les résines de la famille des phtalonitriles ou un mélange de celles-ci. La température de polymérisation du matériau de la matrice polymérique est comprise entre 300°C et 400°C, de préférence de 350°C. La pièce 1 est une pièce monolithique. La pièce 1 comprend une enveloppe 2 délimitant une cavité interne 3. L’épaisseur de l’enveloppe 2 est constante ou variable. Elle est généralement comprise entre 1 mm et 10mm, et préférentiellement entre 1 mm et 5mm. Préférentiellement, l’enveloppe 2 de la pièce 1 présente deux parois latérales 2a, 2b et éventuellement deux parois transversales 2c, 2d s’étendant transversalement par rapport aux parois latérales 2a, 2b. La distance D entre les parois latérales 2a, 2b est de préférence comprise entre 5 mm et 200 mm. Ceci représente la hauteur de la cavité 3. La pièce 1 creuse en matériau composite est réalisée selon un procédé représenté sur la . Le procédé comprend une première étape (a) de fourniture d’une préforme 4 de la pièce 1, une étape (b) d’hydratation de la préforme 4 et une étape (c) de traitement thermique. La préforme 4 correspond à la pièce 1 durant les étapes de fabrication, avant l’obtention de la pièce 1. Avantageusement, la préforme 4 comprend au moins une bride 5 d’extrémité, par exemple deux brides 5 d’extrémité comme représenté sur la . La préforme 4 est composée d’un assemblage de plis 4a. De manière non représentée, la préforme 4 comprend par exemple treize plis 4a. Les plis 4a sont formés des fibres et de la matrice. Les plis 4a sont dans l’étape (a) jointifs. Selon la présente invention, un pli 4a correspond à une épaisseur ou une couche de fibres imprégnées de la matrice. Avantageusement, la fourniture de la préforme 4 dans l’étape (a) est réalisée en plusieurs sous étapes. Une première sous étape (a1) dans laquelle les plis 4a sont drapés au sein d’un moule (non représenté) est réalisée. Dans cette première sous étape (a1) les plis sont formés des fibres imprégnées d’une résine destinée à former la matrice, appelés pré-imprégnés. La résine est dans un état non durci dans l’étape (a1) de drapage. Comme représenté sur les figures 3a et 3b, optionnellement, lors d’une sous étape (a2), un séparateur 6 est inséré entre les plis 4a. Comme représenté sur la , le séparateur 6 est par exemple un segment 7. Le segment est par exemple métallique ou polymérique présentant une surface anti-adhésive. La surface anti-adhésive comprend par exemple un revêtement polymérique choisi parmi les silicones ou les polymères fluorés tels que le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Selon un autre exemple de réalisation représenté sur la , le séparateur 6 est formé d’un élément moussant 8. L’élément moussant 8 est capable de réagir au contact des gaz libérés lors du procédé et de gonfler selon la concentration des gaz. Le séparateur 6 étant agencé entre les plis 4a, il permet de contrôler et de cibler la séparation des plis 4a de la préforme 4 durant le procédé de fabrication. A l’issue de l’étape (a1) de drapage, les plis 4a sont traités thermiquement dans une étape (a3) afin de polymériser la résine pour former la matrice. Un tel traitement thermique est appelé cuisson. Le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 300°C et 400°C, de préférence 350°C. Ceci permet ainsi de former la préforme 4. Préférentiellement, le traitement thermique dans l’étape (a3) est réalisé sous pression et sous vide pendant une durée comprise entre 1h et 5h, par exemple de 3h. Le traitement thermique dans l’étape (a3) est par exemple réalisé dans un autoclave. Selon un autre exemple de réalisation de l’étape (a), la fourniture de la préforme 4 est réalisée par moulage par transfert de résine (RTM pour « resin transfert molding » en langue anglaise). Ensuite, dans une étape (b) du procédé, la préforme 4 est hydratée. Lors de cette étape, des molécules d’eau sont fixées à la préforme 4 par adsorption. L’eau adsorbée par la préforme 4 devient gazeuse et se concentre dans la zone moins cohésive de la préforme 4 jusqu’à permettre la délamination et créer une cavité en poussant les parties ainsi délaminées. Préférentiellement, l’étape (b) d’hydratation de la préforme 4 est réalisée à une température initiale comprise entre 20°C et 80°C. La température initiale est par exemple égale à la température ambiante. Par température ambiante, il est entendu la température dans l’air du milieu ambiant. Par convention, cette température est généralement comprise entre 20°C et 25°C, par exemple 23°C. Préférentiellement, dans l’étape (b), l’humidité relative (HR) de l’air appelée également degré hygrométrique, est comprise entre 50% et 90% et préférentiellement de 55% telle que mesurée à température ambiante et pression atmosphérique. L’étape (b) peut être réalisée dans une salle à hygrométrie contrôlée ou dans une enceinte climatique. Une telle température et humidité relative permet d’accélérer l’hydratation de la préforme 4. Possiblement, la température dans la salle à hygrométrie contrôlée ou dans l’enceinte climatique peut être d’environ 70°C et 85 % d’humidité relative afin d’accélérer encore davantage l’étape d’hydratation. Avantageusement, à l’issue de l’étape (b) d’hydratation, la concentration massique d’eau dans la préforme 4 est supérieure à 0,5% et inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1%. Une telle concentration permet d’assurer un dégagement gazeux suffisant pour éloigner les plis 4a et former la cavité 3. Ensuite, dans une étape (c) la préforme 4 est soumise à un traitement thermique. Ce traitement thermique intervient sur la préforme 4 dans laquelle le matériau de la matrice est durci. Ainsi, ce traitement thermique est appelé traitement thermique post-cuisson. Le traitement thermique lors de l’étape (c) est avantageusement réalisé pendant une durée inférieure ou égale à 20h, de préférence à pression atmosphérique. Ce traitement thermique est avantageusement réalisé à une température plateau comprise entre 300°C et 400°C, de préférence entre 300°C et 380°C, avantageusement de 350°C. Par température plateau, il est entendu une température maintenue constante pendant un temps déterminé. Plus particulièrement, l’étape (c) de traitement thermique peut être déclinée en plusieurs sous-étapes. Une première sous étape (c1) est réalisée, dans laquelle la température initiale, qui est par exemple la température ambiante, est incrémentée de 1°C à 2°C par minute jusqu’à atteindre une première température. La première température est par exemple comprise 200°C et 300°C. Une seconde sous étape (c2) dans laquelle la première température est incrémentée de 0,5°C par minute jusqu’à atteindre la température plateau peut ensuite être réalisée. ; Ensuite, la température plateau peut être maintenue dans une étape (c3) pendant une durée comprise entre 0 heure et 6 heures. Le traitement thermique permet de créer un dégagement gazeux tel que de la vapeur d’eau par exemple au sein de la matrice, le dégagement gazeux ayant pour effet d’éloigner les plis 4a, en d’autres termes de délaminer les plis 4a, pour créer ladite cavité 3 interne de la pièce 1 comme représenté sur la . La pièce 1 creuse ainsi formée est autorisée à descendre en température jusqu’à la température initiale ambiante. La température plateau est par exemple diminuée de 0,5°C à 5°C par minute jusqu’à température ambiante. Selon un exemple de réalisation, représenté par exemple sur les figures 4a, 4b, 5a et 5b, lors du traitement thermique de l’étape (c), la préforme 4 coopère avec un moule 9 pour délimiter le gonflement de la préforme 4. Le moule 9 est de préférence démontable. Selon un premier exemple de réalisation représenté sur les figures 4a, 4b, le moule 9 est un contre moule 10 formé de deux mors d’extrémité 10a, 10b. Les mors d’extrémité 10a, 10b sont destinés à enserrer les extrémités de la préforme 4. Plus particulièrement, les mors d’extrémité 10a, 10b enserrent les brides 5 de la préforme 4. Les mors d’extrémité 10a, 10b enserrent la préforme 4 par exemple avec un jeu permettant d’autoriser le délaminage des plis 4a aux extrémités de la préforme 4 durant le traitement thermique comme représenté sur la ou alternativement sans jeu suivant les besoins. Les mors d’extrémité 10a, 10b sont, par exemple, reliés entre eux pour assurer la position des brides 5 l’une par rapport à l’autre. Préférentiellement, les mors d’extrémité 10a, 10b, comprennent un moyen de serrage 10c tel qu’un ensemble de vis et d’écrou permettant l’ouverture et le serrage du contre moule 10. Selon un autre exemple de réalisation représenté sur les figures 5a, 5b, le moule 9 est un moule complet 11 comprenant une paroi délimitant un espace interne recevant la préforme 4. L’espace interne du moule complet 11 présente une surface de la géométrie de la pièce 1. Le moule complet 11 comprend préférentiellement deux parties pour faciliter le démoulage de la pièce 1 à l’issue du traitement thermique de l’étape (c). Le délaminage des plis 4a de la préforme 4 est ainsi limitée par la paroi du moule complet 11 comme représenté sur la . Selon encore un autre exemple non représenté, les brides 5 d’extrémité permettent à elles seules de délimiter le gonflement de la préforme 4. Une étape supplémentaire (d) (non représentée) d’usinage de la pièce 1 peut être réalisée. Par exemple, les brides 5 peut être retirées par usinage pour former une pièce (1) sans brides. Procédé de fabrication d’une pièce (1) creuse en matériau composite comprenant une matrice polymérique et des fibres noyées dans la matrice polymérique, la pièce (1) comprenant une enveloppe (2) délimitant une cavité (3) interne, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes : - (a) Fournir une préforme (4) de la pièce (1) comprenant des plis (4a) jointifs formés des fibres et de la matrice polymérique; - (b) Hydrater la préforme (4) ; - (c) Traiter thermiquement la préforme (4) à une température supérieure à une température initiale ambiante pour créer un dégagement gazeux au sein de la matrice, le dégagement gazeux ayant pour effet de faire gonfler la préforme (4) en éloignant les plis (4a) l’un de l’autre pour créer ladite cavité (3) interne. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration massique d’eau dans la préforme (4) est supérieure à 0,5% et inférieure à 2%, de préférence inférieure à 1% à l’issue de l’étape (b) d’hydratation. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement thermique de l’étape (c) est réalisé à une température plateau comprise entre 300°C et 400°C, de préférence entre 300°C et 380°C. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape (c) comprend les sous étapes suivantes : - (c1) Incrémenter la température initiale de 1 à 2°C par minute jusqu’à atteindre une première température ; - (c2) Incrémenter la première température de 0,5°C par minute jusqu’à atteindre la température plateau; - (c3) Maintenir la température plateau pendant une durée comprise entre 0 heure et 6 heures. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (a) comprend les sous étapes suivantes : - (a1) Draper au sein d’un moule les plis (4a) formés des fibres imprégnées d’une résine destinée à former la matrice; - (a2) Optionnellement, insérer un séparateur entre les plis (4a) ; - (a3) Traiter thermiquement les plis (4a) afin de polymériser la résine pour former la matrice et la préforme (4). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préforme (4) comprend au moins une bride (5) d’extrémité permettant de délimiter le gonflement de la préforme (4). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l’étape (c), la préforme (4) coopère avec un moule (9) pour délimiter le gonflement de la préforme (4). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (3) présente une hauteur comprise entre 5 mm et 200 mm. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (b) est réalisée à une température initiale comprise entre 20°C et 80°C et à une humidité relative de l’air comprise entre 50% et 90%. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la matrice polymérique est choisi parmi les résines de la famille des polyimides, par exemple de type PMR-15 ou les résines de la famille des phtalonitriles ou un mélange de celles-ci.