Brevet FR3130682A1 — publié le 20230623

Installation pour la consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée L’invention concerne une installation pour la consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée (22) comprenant : Une enceinte de vide (20), l’enceinte de vide comprenant un moule (21) et une membrane (26); et Un empilement disposé dans l’enceinte de vide, l’empilement comprenant : La préforme fibreuse pré-imprégnée disposée sur le moule ; Une première couche de drainage (25) disposée au-dessus de la préforme ; Une couche barrière (27) disposée au-dessus de la première couche de drainage, la couche barrière permettant le passage des gaz mais pas des espèces solides et liquides de la matrice ; et Une deuxième couche de drainage (28) disposée au-dessus de la couche barrière. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Installation pour la consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée L’invention concerne le domaine de la préparation des pièces en matériaux composites et plus précisément les méthodes de consolidation pour des préformes obtenues à partir de fibres pré-imprégnées. Les matériaux composites, comprenant une préforme fibreuse renforcée par une matrice, connaissent de nombreuses utilisations dans différents domaines technologiques. Les matériaux composites peuvent être obtenus par différentes voies. L’une des voies de préparation propose de fabriquer la préforme avec des fibres dites pré-imprégnées, c’est-à-dire que les fils de la préforme sont déjà chargés en matrice ou en un précurseur de matrice. Pour obtenir le matériau composite, la préforme pré-imprégnée peut être exposée à une étape de consolidation visant à libérer la préforme du solvant et de l’excédent de matrice contenus dans les fils et autour des fils de la préforme, puis une étape de cuisson de la préforme pour obtenir le matériau composite final. L’étape de consolidation doit permettre que la matrice pré-imprégnée dans et autour des fils constitutifs de la préforme remplisse la porosité interne de la préforme fibreuse de manière homogène. Ainsi, le matériau composite final sera lui-même homogène après l’étape de cuisson de la matrice. Habituellement, pour cette étape de consolidation, la préforme pré-imprégnée est chauffée et mise sous pression. Cette étape libère la matrice imprégnée dans et autour des fils dont une partie reste dans la préforme, mais génère également un excédent de matrice qui sort de la préforme fibreuse. Pour capter cet excédent et éviter le dépôt de matrice en dehors de la préforme, la préforme est généralement revêtue d’une couche de drainage. De plus, l’étape de consolidation libère des matières volatiles du fait par exemple de l’évaporation du solvant contenu dans les fibres pré-imprégnées. Le drainage de ces matières volatiles est important pour éviter que des bulles ne se forment dans la préforme, ce qui nuirait à l’homogénéité de l’imprégnation de la préforme par la matrice. Le drainage de ces espèces peut également être assuré par la couche de drainage. Il est néanmoins observé que les drainants utilisés peuvent être saturés rapidement au cours de l’étape de consolidation par l’excédent de matrice libéré en dehors de la préforme, et qu’une fois saturés ils ne permettent plus de capter les espèces volatiles qui peuvent nuire alors à la qualité du matériau composite finalement obtenu. C’est pourquoi il demeure un besoin pour un produit permettant de réaliser une étape de consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée, assurant la bonne élimination non seulement de l’excédent de matrice libéré mais également des espèces volatiles et cela durant toute l’étape de consolidation. L’invention vise précisément à répondre à ce problème technique. Pour cela, elle propose une installation pour la consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée comprenant : Une enceinte de vide, l’enceinte de vide comprenant un moule et une membrane ; et Un empilement disposé dans l’enceinte de vide, l’empilement comprenant : La préforme fibreuse pré-imprégnée disposée sur le moule ; Une première couche de drainage disposée au-dessus de la préforme ; Une couche barrière disposée au-dessus de la première couche de drainage, la couche barrière permettant le passage des gaz mais pas des espèces solides et liquides de la matrice ; et Une deuxième couche de drainage disposée au-dessus de la couche barrière. La couche barrière doit en particulier permettre le passage du ou des solvants en phase gazeuse vers la deuxième couche de drainage et empêcher le passage de la matrice présente sous forme de poudre. L’enceinte de vide définit un espace dans lequel la pression peut être réduite par rapport à la pression atmosphérique, par exemple au moyen d’une pompe. Par exemple, la membrane de l’enceinte de vide peut être une bâche à vide ou une membrane en silicone. L’installation de l’invention permet un bien meilleur drainage des espèces volatiles libérées lors de l’étape de consolidation que les empilements de l’art antérieur. En effet, dans l’installation décrite, la deuxième couche de drainage ne peut pas être saturée par l’excédent de matrice libéré lors de la consolidation, et elle reste ainsi disponible pour capter les espèces volatiles. Il s’ensuit une accumulation moindre des espèces volatiles dans la préforme pendant la consolidation comparativement à une installation comprenant une quantité équivalente de drainant mais pas de couche barrière. Par conséquent, la préforme est consolidée de manière plus homogène qu’avec des empilements de l’art antérieur, car on évite l’accumulation des espèces volatiles au cours de la consolidation pouvant générer des hétérogénéités dans la préforme consolidée. Les espèces volatiles générées lors de la consolidation peuvent par exemple être des dérivés des solvants utilisés dans la préparation des fibres pré-imprégnées. Dans un mode de réalisation, la première couche de drainage peut être un tissu de fibres de polyester, par exemple un tissu commercialisé sous le nom airweave N10® par la société AIRTECH. Dans un mode de réalisation, la deuxième couche de drainage peut être un tissu de fibres de polyester, par exemple un tissu commercialisé sous le nom airweave N10® par la société AIRTECH. Dans un mode de réalisation, la première et la deuxième couche de drainage peuvent être composées d’un même matériau. Dans un mode de réalisation, la première et/ou la deuxième couche de drainage de l’empilement peuvent être un feutre de fibres de polyester. Dans un mode de réalisation, la couche barrière de l’empilement peut être une couche de tissu de verre téflonné, par exemple un tissu de verre commercialisé sous le nom Release 234 TPF ® par la société Airtech. Dans un mode de réalisation, l’empilement comprend en outre une couche d’arrachage disposée entre la préforme et la première couche de drainage. Une telle couche d’arrachage permet une séparation plus facile des couches supérieures de l’empilement une fois la consolidation de la préforme effectuée. En effet, il est utile pour obtenir le matériau composite final d’éliminer les couches disposées sur la préforme, et notamment les couches de drainage, par exemple avant de cuire la matrice. Par exemple, la couche d’arrachage peut être un tissu de fibres polyamides, par exemple un tissu commercialisé sous le nom PA90® par la société DIATEX. Dans un mode de réalisation, la couche d’arrachage est directement au contact de la préforme fibreuse. Dans un mode de réalisation, l’empilement peut comprendre en outre une couche de séparation disposée entre la préforme fibreuse et la première couche de drainage, ou le cas échéant entre la couche d’arrachage et la première couche de drainage. La couche de séparation a pour effet de réguler le flux d’excédent de matrice libéré par la préforme pré-imprégnée lors de la consolidation et d’éviter ainsi une saturation trop rapide de la première couche de drainage ou une saturation non-uniforme de celle-ci. Par exemple, la couche de séparation peut être un film perforé dont la taille des perforations permet de laisser passer une partie de la matrice excédentaire libérée lors de la consolidation tout en régulant le flux pour obtenir un flux plus uniforme que lorsque la première couche de drainage est directement au contact de la préforme. En l’absence de la couche de séparation, il est parfois observé que l’excédent de matrice libéré pendant l’étape de consolidation est très localisé, ce qui conduit à une saturation inhomogène de certaines zones de la première couche de drainage qui ne peuvent alors plus assurer le drainage de l’excédent de matrice, ni des espèces volatiles, ce qui conduit finalement à des hétérogénéités non souhaitées dans la préforme consolidée et dans le matériau final. Dans un mode de réalisation, la couche de séparation peut être un tissu perforé vendu sous la dénomination MP22 ® et commercialisé par la société AIRTECH. Il doit être compris que la couche de séparation n’est pas une couche barrière au sens de l’invention. En particulier, la couche de séparation est perméable à l’excédent de matrice et aux espèces volatiles créées lors de l’étape de consolidation de la préforme fibreuse. Dans un mode de réalisation, la préforme est une préforme de pièce aéronautique, de préférence une pièce élancée, axisymétrique et/ou de grandes dimensions, par exemple une préforme d’une pièce d’arrière corps de moteur d’avion, par exemple une préforme d’un carter ou d’une tuyère de machine aéronautique. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée comprenant les étapes suivantes : disposer d’une installation telle que décrite ci-dessus ; et augmenter la pression et la température appliquées à la membrane de l’enceinte de vide, tout en maintenant une pression réduite à l’intérieur de l’enceinte de vide. Ce procédé permet avantageusement de réaliser la consolidation d’une préforme tout en donnant à cette dernière la forme du moule. De plus, le choix particulier d’un empilement tel que décrit ci-avant permet d’assurer une meilleure homogénéité de la préforme consolidée. En effet, le choix de l’empilement décrit ci-dessus permet d’assurer que les espèces volatiles soient correctement drainées par la deuxième couche de drainage, et puissent alors être éliminées simplement par la pression réduite à l’intérieur de l’enceinte de vide au cours du procédé. Il a été observé, avec des empilements de l’art antérieur qui ne comprenaient pas la couche barrière, une très grande difficulté à faire diminuer la pression dans l’enceinte de vide lors de l’étape de consolidation. En effet, dès lors que les couches de drainage sont saturées par l’excédent de matrice libérée au cours de l’étape de consolidation, elles ne permettent plus de drainer les espèces volatiles qui ont alors tendance à s’accumuler dans la préforme ou en dessous de la première couche de drainage et à augmenter la pression dans l’enceinte de vide. D’une part, la présence de bulles dans la préforme n’est pas souhaitée car elle conduit à une mauvaise répartition de la matrice dans la préforme. Il en résulte des variations du taux de matrice par rapport aux fibres et des non-conformités de l’épaisseur de la pièce. D’autre part, la pression élevée qui règne alors dans l’enceinte de vide peut occasionner une mauvaise mise en forme de la préforme car la pression appliquée à l’extérieur de l’enceinte de vide, n’est pas uniformément transmise à la préforme du fait de bulles éventuellement présentes sous la couche de drainage. La préforme n’est alors plus convenablement mise en forme contre le moule. L’empilement de l’invention permet d’éviter ce phénomène en assurant que la deuxième couche ne soit pas saturée en matrice et qu’elle assure donc son rôle de drainage des espèces volatiles tout au long de la consolidation. Dans un mode de réalisation, la pression appliquée à l’extérieur de l’enceinte de vide au cours d’un procédé de consolidation est supérieure ou égale à 2 bars, de préférence comprise entre 7 et 15 bars. Dans un mode de réalisation, la température appliquée à l’extérieur de l’enceinte de vide au cours d’un procédé de consolidation est supérieure ou égale à 160 °C, par exemple comprise entre 170°C et 190°C. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : Consolider la préforme fibreuse pré-imprégnée au moyen du procédé de consolidation décrit ci-dessus ; Enlever les couches disposées sur la préforme consolidée ; puis Traiter thermiquement la préforme consolidée pour obtenir la cuisson de la matrice dans la préforme fibreuse. Un tel procédé permet d’obtenir une pièce en matériau composite, à partir d’une préforme en fibres pré-imprégnées en diminuant le risque de former des inhomogénéités dans la pièce en matériau composite. Dans un mode de réalisation, l’étape d’enlèvement des couches disposées sur la préforme consolidée est réalisée par l’arrachage d’une couche d’arrachage. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne une pièce en matériau composite obtenue par le procédé de fabrication décrit ci-avant. Dans un mode de réalisation, la pièce en matériau composite est un carter ou une tuyère de machine aéronautique. La représente schématiquement une installation dans un mode de réalisation de l’invention. Installation pour la consolidation d’une préforme fibreuse pré-imprégnée (22) comprenant : Une enceinte de vide (20), l’enceinte de vide comprenant un moule (21) et une membrane (26); et Un empilement disposé dans l’enceinte de vide, l’empilement comprenant : La préforme fibreuse pré-imprégnée disposée sur le moule ; Une première couche de drainage (25) disposée au-dessus de la préforme ; Une couche barrière (27) disposée au-dessus de la première couche de drainage, la couche barrière permettant le passage des gaz mais pas des espèces solides et liquides de la matrice ; et Une deuxième couche de drainage (28) disposée au-dessus de la couche barrière. Installation selon la revendication 1, dans laquelle l’empilement comprend en outre une couche d’arrachage (23) disposée entre la préforme (22) et la première couche de drainage (25). Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’empilement comprend en outre une couche de séparation (24) disposée entre la préforme fibreuse (22) et la première couche de drainage (25), ou le cas échéant entre la couche d’arrachage (23) et la première couche de drainage. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la première (25) et/ou la deuxième couche de drainage (28) de l’empilement est un feutre de fibres polyester. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la couche barrière (27) de l’empilement est une couche de tissu de verre téflonné. Procédé de consolidation d’une préforme pré-imprégnée (22) comprenant les étapes suivantes : disposer d’une installation selon l’une des revendications 1 à 5 ; et augmenter la pression et la température appliquées à la membrane (26) de l’enceinte de vide (20), tout en maintenant une pression réduite à l’intérieur de l’enceinte de vide. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : Consolider la préforme fibreuse pré-imprégnée (22) au moyen d’un procédé de consolidation selon la revendication 6 ; Enlever les couches (23, 24, 25, 27, 28) disposées sur la préforme consolidée ; puis Traiter thermiquement la préforme consolidée pour obtenir la cuisson de la matrice dans la préforme fibreuse. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite selon la revendication 7, dans lequel l’étape d’enlèvement des couches disposées sur la préforme consolidée est réalisée par l’arrachage d’une couche d’arrachage (23). Pièce en matériau composite obtenue par le procédé de fabrication de la revendication 7 ou 8. Pièce en matériau composition selon la revendication 9, la pièce étant une tuyère ou un carter de machine aéronautique.