Brevet FR3126335A1 — publié le 20230303

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier une pièce composite aéronautique, dans lequel le procédé comprend les étapes consistant à : - chauffer un mélange d’une résine polymérisable et d’un durcisseur à une température de dissolution et/ou pendant une durée de dissolution suffisantes pour obtenir une dissolution complète du durcisseur, - refroidir le mélange à une température de sécurisation de manière à empêcher au moins une réaction exothermique, - injecter ultérieurement ou immédiatement le mélange dans un moule (12) comprenant une préforme fibreuse (10) à une température d’injection égale ou supérieure à la température de dissolution. Figure pour l'abrégé : Figure 2 PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE COMPOSITE, EN PARTICULIER AERONAUTIQUE ET INSTALLATION ASSOCIEE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier une pièce composite aéronautique, ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre d’un tel procédé. Arrière-plan technique L’état de la technique comprend notamment les documents FR-A1-3 051 386, FR-A1-3 100 739 et FR-A1-3 101 570. L’utilisation de matériaux composites est avantageuse dans l’industrie aéronautique notamment car ces matériaux ont des performances mécaniques intéressantes pour des masses relativement faibles. Un procédé de fabrication d’une pièce composite pour l’industrie aéronautique, qui est bien connu de l’homme du métier, est le procédé de moulage RTM dont les initiales font référence à l’acronyme anglo-saxon de Resin Transfer Molding. Il s’agit d’un procédé de réalisation d’une pièce en matériau composite à base de fibres imprégnées d’un mélange à base de résine. Un tel procédé est par exemple utilisé pour fabriquer une pièce composite aéronautique, telle qu’une pièce aubagée de turbomachine, par exemple une aube de soufflante ou un aubage de redresseur. Les fibres utilisées peuvent être des fibres de carbone et/ou de verre et/ou de kevlar, et/ou tout autre matériau. Un procédé RTM comporte plusieurs étapes successives. On commence par réaliser le tissage de fibres pour obtenir une ébauche de préforme en trois dimensions, puis on découpe l’ébauche pour obtenir une préforme présentant sensiblement la forme de la pièce aubagée à obtenir. Cette préforme est alors disposée dans un moule, qui est refermé. Puis on injecte un mélange à base de résine à l'état liquide en maintenant une pression sur le mélange injecté pendant que l’on effectue la polymérisation de la pièce par chauffage. La pièce obtenue est démoulée et d’éventuelles étapes d’usinage et/ou des opérations de collage peuvent être réalisées. La ligne d’injection actuelle se compose : - d’un cylindre d’injection où le mélange à base de résine est chauffé à une température entre 80°C et 120°C, après une phase de dégazage sous vide ; - d’un réchauffeur dans lequel un durcisseur à l’état solide dans le mélange à base de résine est dissous et le mélange atteint la température optimale d’injection (entre 155°C et 170°C pour une résine de type PR520N), c’est-à-dire la température pour laquelle la viscosité est minimale ( - un moule sous presse, lorsque le mélange à base de résine a rempli la cavité et la préforme fibreuse disposée dans le moule est complétement imprégnée, l’ensemble est chauffé à la température de cuisson (entre 170°C et 200°C pour une résine de type PR520N) ; - un système pour effectuer le vide de manière à éviter que de l’air puisse rester à l’intérieur de la cavité du moule et former des porosités et/ou des zones sèches. Le vide est également une aide pour l’infusion de la résine au sein des fibres constituant le renfort. Avant l’étape d’injection, le mélange à base de résine est de façon connue préchauffé pour le rendre liquide. Le chauffage du mélange avant son injection dans le moule est très importante. Il est en effet important que l’un des composants du mélange, un durcisseur, se soit complètement dissout dans le mélange avant son contact avec la préforme car ce composant risquerait d’être filtré dans la préforme, et les propriétés mécaniques de la résine lors de la cuisson ne seraient pas respectées. Dans la technique actuelle, le préchauffage du mélange à base de résine pour dissoudre le durcisseur est réalisé dans un réchauffeur dans lequel la résine est chauffée jusqu’à au moins 150°C (voire au moins 160°C). Il existe différent type de réchauffeurs. Il peut s’agir, par exemple, d’un réchauffeur appelé « thin film ». La résine circule entre deux parois chaudes sous forme d’une fine couche (environ 0,1 mm). L’échange thermique est optimisé par la faible épaisseur de résine qui est exposée au flux de chaleur. Le débit de résine qui peut être chauffé est cependant limité, ce qui conduit à une limitation de la taille maximale de la pièce à injecter. Il peut aussi s’agir d’un réchauffeur constitué par une série de plaques chaudes superposées dans lesquelles au moins un canal en forme de serpentin est creusé. Le nombre de plaques et les dimensions du/des canaux déterminent le volume traité. La durée de la résine en son sein est directement reliée au débit et à son volume. La régulation de la température et du temps de passage de la résine dans le réchauffeur est alors complexe à maîtriser entraînant un risque de mauvaise dissolution du durcisseur ou une réticulation précoce de la résine entraînant une obstruction des conduits. Il peut encore s’agir d’un échangeur thermique avec un fluide caloporteur. Cette solution nécessite la présence d’un système secondaire de pompage et de réchauffe du fluide calorifique. Ce système est plus long, plus chère et plus difficile à mettre en œuvre que les solutions précédentes car il nécessite une étanchéité à chaud très performante. Ainsi, les réchauffeurs connus sont des systèmes d’échange de chaleur dynamiques, avec beaucoup de paramètres à garder sous contrôle : la température des plaques, la température d’entrée de la résine, le temps de présence à l’intérieur du système, les débits de la résine, l’état d’avancement de la résine à l’entrée du système (qui peut influencer fortement sa viscosité), etc. La dissolution du durcisseur est donc difficile à contrôler. Par ailleurs, un certain volume de résine reste perdu dans ces systèmes de réchauffeur, ce qui entraîne des pertes de résine importantes et un surcoût non négligeable. La présente invention propose une solution à ces problèmes qui est simple, efficace et économique. L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier une pièce composite aéronautique, dans lequel le procédé comprend les étapes consistant à : chauffer un mélange d’une résine polymérisable et d’un durcisseur à une température de dissolution et/ou pendant une durée de dissolution suffisantes pour obtenir une dissolution complète du durcisseur, refroidir le mélange à une température de sécurisation de manière à empêcher au moins une réaction exothermique, injecter ultérieurement ou immédiatement le mélange dans un moule comprenant une préforme fibreuse à une température d’injection égale ou supérieure à la température de dissolution. Il a ainsi été observé que la dissolution du durcisseur dans la résine pouvait être obtenue par une étape de chauffage et être maintenue même lors d’un refroidissement du mélange. Il n’est donc plus nécessaire de préchauffer le mélange avant l’injection dans un préchauffeur limitant le débit du mélange et par conséquent la taille de la pièce composite à fabriquer. Par ailleurs, le durcisseur ne recristallisant pas dans la résine lorsque la température du mélange diminue, il est possible de ne pas injecter le mélange immédiatement mais dans une étape ultérieure. Il est alors envisageable de simplifier le système utiliser et de limiter la quantité perdue de résine à la fin d’un procédé de fabrication d’une pièce. Il est aussi possible d’augmenter le débit d’injection, ce qui permet la fabrication de pièces de grandes dimensions. Le procédé permet d’une façon simple la dissolution du durcisseur dans la résine grâce à une étape de chauffage et une étape de refroidissement avant que ce mélange ne soit injecté dans le moule comprenant la préforme fibreuse. Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - la durée de dissolution est choisie de manière à ce que le pourcentage de réticulation de la résine soit inférieur à 5% ; - la température de dissolution est choisie de manière à ce que le pourcentage de réticulation de la résine soit inférieur à 5% ; - la température de dissolution est comprise entre 80 et 170 °C, de préférence entre 120 et 165°C ; - la température d’injection est comprise entre 120 et 160°C ; - l’étape a) de chauffage se fait avec un mélangeage du mélange ; - l’étape b) de refroidissement se fait avec un mélangeage du mélange ; - la température de sécurisation est inférieure à 80°C ; - le passage de la température de dissolution à la température de sécurisation se fait en moins de 1 min ; - le passage de la température de dissolution à la température de sécurisation se fait en moins de 10 sec ; - le passage de la température de dissolution à la température de sécurisation se fait en moins de 1 min pour une température de dissolution inférieure à 140 °C ; - le passage de la température de dissolution à la température de sécurisation se fait en moins de 10 sec pour une température de dissolution supérieure à 140 °C ; - les étapes a), b) et/ou c) du procédé se font sous vide ; - le procédé comprend une étape de stockage du mélange entre l’étape b) et l’étape c) à une température de stockage supérieure à 0°C, de préférence une température comprise entre 0 °C et 5°C ; - la pièce composite est une pièce composite aéronautique, par exemple une pièce aubagée de turbomachine, telle qu’une aube de soufflante. La présente invention concerne également une installation pour la mise en œuvre d’un procédé tel que décrit précédemment. Selon l’invention, l’installation comprend une zone de mélange de la résine et du durcisseur, un dispositif de dissolution du durcisseur pour réaliser les étapes a) et b) dudit procédé et un moule de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme pour réaliser l’étape c) dudit procédé. L’installation selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - l’installation comprend une zone de chauffage pour réaliser l’étape a) dudit procédé ; - l’installation comprend une zone de refroidissement pour réaliser l’étape b) dudit procédé ; - l’installation comprend un moyen de pompage de manière à conduire le mélange de la zone de mélange vers le dispositif de dissolution du durcisseur ; - l’installation comprend en outre une zone de stockage pour réaliser l’étape de stockage ; - la zone de stockage est distincte de la zone de mélange, de la zone de chauffage, de la zone de refroidissement et/ou du moule. 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 vue très schématique d’un premier exemple d’une installation selon l’invention de fabrication d’une pièce composite ; la est une vue très schématique d’un deuxième exemple d’une installation selon l’invention de fabrication d’une pièce composite ; la est une vue très schématique d’un troisième exemple d’une installation selon l’invention de fabrication d’une pièce composite ; la est une vue très schématique d’un dispositif de dissolution de l’installation des figures 2 et 3 et d’un graphe montrant l’évolution de la température lors des étapes a) et b) du procédé selon l’invention en fonction de la longueur du dispositif ; la est une vue très schématique d’un exemple de procédé selon l’invention de fabrication d’une pièce composite. Procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier une pièce composite aéronautique, dans lequel le procédé comprend les étapes consistant à : chauffer un mélange d’une résine polymérisable et d’un durcisseur à une température de dissolution et/ou pendant une durée de dissolution suffisantes pour obtenir une dissolution complète du durcisseur, refroidir le mélange à une température de sécurisation de manière à empêcher au moins une réaction exothermique, injecter ultérieurement ou immédiatement le mélange dans un moule (12) comprenant une préforme fibreuse (10) à une température d’injection égale ou supérieure à la température de dissolution. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la durée de dissolution et/ou la température de dissolution sont choisies de manière à ce que le pourcentage de réticulation de la résine soit inférieur à 5%. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de dissolution est comprise entre 80 et 170 °C, de préférence entre 120 et 165°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température d’injection est comprise entre 120 et 160°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) de chauffage et l’étape b) de refroidissement se font avec un mélangeage du mélange. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de sécurisation est inférieure à 80°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le passage de la température de dissolution à la température de sécurisation se fait en moins de 1 min. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes a), b) et/ou c) du procédé se font sous vide. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comprend une étape de stockage du mélange entre l’étape b) et l’étape c) à une température de stockage supérieure à 0°C, de préférence comprise entre 0 °C et 5°C. Installation (14) pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une zone de mélange (18) de la résine et du durcisseur, un dispositif (22) de dissolution du durcisseur pour réaliser les étapes a) et b) dudit procédé et un moule (12) de réception d’une préforme fibreuse (10) et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme (10) pour réaliser l’étape c) dudit procédé. Installation (14) selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif (22) de dissolution du durcisseur comprend une zone de chauffage (24) pour réaliser l’étape a) dudit procédé et une zone de refroidissement (26) pour réaliser l’étape b) dudit procédé. Installation (14) selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 comprenant un moyen (34) de pompage de manière à conduire le mélange de la zone de mélange (18) vers le dispositif (22) de dissolution du durcisseur. Installation (14) selon l’une quelconque des revendications 10 à 12 prises en combinaison avec la revendication 9, comprenant en outre une zone de stockage (15) pour réaliser l’étape de stockage, la zone de stockage (15) étant distincte de la zone de mélange (18), de la zone de chauffage (24), de la zone de refroidissement (26) et/ou du moule (12).