Brevet FR3131862A1 — publié le 20230721

Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite avec compactage liquide L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant la disposition d’une préforme fibreuse (10, 20) dans la chambre d’imprégnation (110, 210) d’un moule (100, 200), la chambre d’imprégnation (110, 210) étant fermée par une membrane souple (130, 230) séparant la chambre d’imprégnation (110, 210) d’une chambre de compaction (120, 220), un fluide d’imprégnation (1000, 3000) étant injecté dans la chambre d’imprégnation (110, 210) et un fluide de compression (2000, 4000) étant injecté dans la chambre de compaction (120, 220), le fluide de compression (2000, 4000) étant un liquide dont la valeur de la masse volumique est comprise entre 60% et 125% de la masse volumique du fluide d’imprégnation (1000, 3000). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite avec compactage liquide La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication des pièces en matériau composite, notamment à matrice céramique (CMC) ou organique (CMO). Les pièces en matériau composite à matrice céramique ou organique sont généralement fabriquées par imprégnation d’une préforme fibreuse. La préforme fibreuse peut être disposée dans un moule, fermé par un contre-moule. La préforme fibreuse est ensuite imprégnée avec une barbotine chargée de particules d’un précurseur de matrice ou avec une résine, selon le type de matrice souhaité. L’imprégnation est réalisée en injectant la barbotine ou la résine dans la cavité de moulage qui contient la préforme fibreuse, de sorte à faire pénétrer progressivement la barbotine ou la résine dans la préforme fibreuse. Les solutions d’imprégnation utilisant un moule et un contre-moule sont toutefois peu satisfaisantes pour la fabrication de pièces de grandes dimensions mais de faible épaisseur, comme par exemple les pièces d’arrière-corps aéronautiques. En effet, les tolérances dimensionnelles que doivent respecter le moule et le contre-moule sont extrêmement restreintes, ce qui complique fortement la fabrication d’un moule et d’un contre-moule adaptés à de telles pièces. Ainsi, pour fabriquer des pièces de grande taille mais de faible épaisseur, il est possible d’utiliser une membrane déformable à la place du contre-moule. On s’affranchit par conséquent des problématiques de tolérancement des outillages. Une telle solution est par exemple décrite dans le document US2017334791A1, qui décrit un procédé de moulage par injection (RTM). Dans ce document, la barbotine est injectée dans la chambre d’imprégnation dans laquelle est disposée la préforme fibreuse, puis une pression est exercée sur la membrane souple afin de faire pénétrer la barbotine au travers de la préforme fibreuse. Toutefois, cette méthode ne permet pas un contrôle satisfaisant du taux volumique de fibres. Pour remédier à cet inconvénient, le document US2021046671A1 décrit un procédé dans lequel une membrane sépare une chambre d’imprégnation, dans laquelle la préforme fibreuse est disposée, d’une chambre de compaction. Dans cette solution, on applique d’abord une pression sur la membrane en injectant un fluide de compression dans la chambre de compaction, avant d’injecter la barbotine. Pendant l’injection de la barbotine, on poursuit l’injection du fluide de compression de sorte à maintenir la pression de compactage sur la préforme fibreuse. Toutefois, dans le cas où la pièce à infiltrer selon ce procédé est disposée de sorte à présenter une surface étendue selon une direction inclinée ou verticale, ou lorsque la pièce présente des dimensions telles qu’elle s’étend sur une hauteur significative dans la chambre d’imprégnation, des variations non désirées du taux volumique de fibres dans la hauteur de la pièce fabriquée, voire des variations d’épaisseur non souhaitées, peuvent apparaître. On constate alors que la pression de compactage appliquée sur la préforme par la membrane, résultant de la différence de pression entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation, n’est pas identique sur toute la hauteur de la membrane. En outre, les procédés existants ne permettent pas l’application d’une pression très faible sur la préforme, nécessitant ainsi une maîtrise permanente et précise de la différence de pression entre le fluide d’imprégnation et le fluide de compression. En particulier, dans le cas où le fluide d’imprégnation est une barbotine, la pression de compactage appliquée sur la préforme fibreuse est trop élevée et difficilement pilotable, du fait des variations importantes de pression dans la chambre d’imprégnation. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant une solution de fabrication d’une pièce en matériau composite à renfort fibreux. Ainsi, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - disposition d’une préforme fibreuse dans un moule comprenant une chambre d’imprégnation étant en contact avec une première face de la préforme sur une surface de support de la chambre d’imprégnation, la chambre d’imprégnation étant fermée par une membrane souple placée en regard d’une deuxième face de la préforme opposée à la première face, ladite membrane séparant la chambre d’imprégnation d’une chambre de compaction, - injection d’un fluide de compression dans la chambre de compaction et injection d’un fluide d’imprégnation comprenant un précurseur de matrice dans la chambre d’imprégnation, - traitement de solidification du précurseur de matrice au sein de la préforme fibreuse de sorte à obtenir une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux lié par une matrice solide, le procédé étant caractérisé en ce le fluide de compression est un liquide dont la valeur de la masse volumique correspond à entre 60% et 125% de la valeur de la masse volumique du fluide d’imprégnation. De préférence, le fluide de compression est un liquide dont la valeur de la masse volumique correspond à entre 90% et 110% de la valeur de la masse volumique du fluide d’imprégnation. Ainsi, en utilisant un fluide de compression ayant une masse volumique proche de celle du fluide d’imprégnation, on obtient un taux de compactage sensiblement constant sur toute la hauteur de la membrane. En effet, la différence de pression entre deux points du liquide d’imprégnation situés à des altitudes différentes Z 1 et Z 2 sera sensiblement identique à la différence de pression entre deux points du liquide de compression situés aux mêmes altitudes Z 1 et Z 2 , car ces différences de pression sont directement proportionnelles à la masse volumique du fluide. Par conséquent, la différence de pression fluide due à l’altitude évoluera de manière sensiblement identique de part et d’autre de la membrane, ce qui permet de maîtriser des différences de pression très faibles entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation. En outre, en utilisant un liquide comme fluide de compression, on obtient un fluide de compression quasi-incompressible, ce qui permet de maîtriser facilement la pression différentielle entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation, que ce soit durant l’étape de remplissage de la chambre de compaction ou durant l’infiltration dans la préforme. Ainsi, on peut par ailleurs obtenir une différence de pression réduite voire nulle de part et d’autre de la membrane. Le fluide d’imprégnation peut être une barbotine comprenant des particules de précurseur de matrice ou une résine. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la préforme fibreuse disposée dans le moule s’étend sur une hauteur supérieure ou égale à 300 mm selon la direction de l’accélération de pesanteur. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la différence entre la pression exercée par le fluide d’imprégnation sur la membrane et la pression exercée par le fluide de compression sur la membrane est inférieure à 0,5 bar. De préférence, la différence entre la pression exercée par le fluide d’imprégnation sur la membrane et la pression exercée par le fluide de compression sur la membrane est inférieure à 0,3 bar. De préférence, la différence entre la pression exercée par le fluide d’imprégnation sur la membrane et la pression exercée par le fluide de compression sur la membrane est inférieure à 0,1 bar. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’injection du fluide de compression est réalisée au moins en partie pendant le remplissage de la chambre d’imprégnation par le fluide d’imprégnation. En particulier, l’injection du fluide de compression est réalisée au moins en partie pendant le remplissage de la chambre d’imprégnation par le fluide d’imprégnation de sorte que la différence de hauteur de remplissage entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation mesurée au niveau de la membrane selon la direction de l’accélération de pesanteur soit positive ou nulle, et inférieure à 500 mm, et de préférence inférieure à 300 mm, et de sorte que la différence de pression entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation de part et d’autre de la membrane soit inférieure à 0,3 bar, et de préférence inférieure à 0,1 bar. Une « différence de hauteur de remplissage entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation mesurée au niveau de la membrane selon la direction de l’accélération de pesanteur » positive ou nulle signifie que la hauteur de remplissage du fluide de compression mesurée au niveau de la membrane est supérieure ou égale à la hauteur de remplissage du fluide d’imprégnation mesurée au niveau de la membrane selon la direction de l’accélération de pesanteur. Ainsi, en remplissant la chambre d’imprégnation et la chambre de compaction à la même vitesse, on facilite l’application et le maintien d’une pression différentielle faible sur la membrane. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, on augmente la pression exercée sur la membrane par le fluide de compression après le remplissage de la chambre d’imprégnation. Ainsi, il est plus facile d’appliquer une faible pression de compactage sur la préforme fibreuse, ou de maintenir la membrane en place si la pression exercée par le fluide d’imprégnation sur la membrane augmente. Par conséquent, selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’augmentation de la pression exercée sur la membrane par le fluide de compression après le remplissage de la chambre d’imprégnation est réalisée tandis que la pression exercée par le fluide d’imprégnation sur la membrane augmente. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’augmentation de la pression exercée sur la membrane par le fluide de compression est réalisée en augmentant la hauteur de remplissage du fluide de compression. En particulier, l’augmentation de la pression exercée sur la membrane par le fluide de compression est réalisée en augmentant la hauteur de remplissage du fluide de compression de sorte que la différence de hauteur de remplissage entre le fluide de compression et le fluide d’imprégnation selon la direction de l’accélération de pesanteur soit supérieure à 50 mm. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le fluide d’imprégnation et le fluide de compression ont la même composition. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le fluide d’imprégnation est une suspension comprenant une pluralité de particules de précurseur de matrice, la surface de support de la chambre d’imprégnation du moule comprenant un filtre configuré pour retenir les particules de la suspension dans la chambre d’imprégnation. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, au moins une partie du fluide de compression introduit dans la chambre de compaction est ensuite introduite dans la chambre d’imprégnation par un réseau en série. Au moins une partie du fluide de compression peut être ensuite utilisée comme fluide d’imprégnation, sous réserve que ladite partie du fluide de compression comprenne un ou des précurseurs de matrice. Cette circulation du fluide de compression dans la chambre de compaction puis dans la chambre d’imprégnation peut être réalisée par un réseau en série. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, un dispositif permanent de contrôle de pression est présent dans ledit réseau en série reliant la chambre de compaction à la chambre d’imprégnation. Ainsi, selon une caractéristique particulière de l’invention, l’introduction d’une partie du fluide de compression dans la chambre d’imprégnation est réalisée par un réseau en série reliant la chambre de compaction et la chambre d’imprégnation, ledit réseau comprenant un dispositif permanent de contrôle de pression. Ce mode particulier permet de dissocier la gestion du différentiel de pression entre la chambre de compaction et la chambre d’imprégnation du pilotage de la circulation du ou des fluides et de leur pression statique. Le dispositif permanent de contrôle de pression peut être un dispositif permanent de réduction de pression. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le fluide de compression présente une compressibilité isotherme inférieure à 10 -9 Pa -1 et les parois de la chambre de compaction sont indéformables à l’exception de la membrane, l’augmentation de la pression exercée sur la membrane par le fluide de compression étant réalisée en fermant la chambre de compaction de sorte qu’elle soit remplie par le fluide de compression. Ainsi, le fluide de compression quasi-incompressible applique sur la membrane une pression supérieure à celle appliquée par le fluide d’imprégnation, même lorsque que la pression du fluide d’imprégnation est augmentée. L’eau est un exemple de fluide de compression présentant une compressibilité isotherme inférieure à 10 -9 Pa -1 . En outre, certaines huiles dont la compressibilité isotherme est inférieure à 10 -9 Pa -1 peuvent également être utilisées comme fluide de compression. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le fluide de compression présente une compressibilité isotherme inférieure à 10 -9 Pa -1 et les parois de la chambre de compaction sont indéformables à l’exception de la membrane, et le fluide d’imprégnation est injecté dans la chambre d’imprégnation une fois que la chambre de compaction est remplie par le fluide de compression et fermée. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le moule comprend un dispositif d’ajustement du volume de la chambre de compaction comportant au moins un élément mobile. Cet élément mobile peut être un piston ou une vis. Un tel dispositif d’ajustement du volume peut être configuré pour compenser une variation du volume de la chambre de compaction engendrée par la déformation des parois de ladite chambre de compaction et par la déformation de la membrane souple sous l’effet de la pression lors du procédé, de sorte à maintenir un volume de la chambre de compaction constant pendant le procédé. La est une vue en coupe d’une portion d’un premier moule de fabrication lorsque le liquide de compression commence à être injecté. La est une vue en coupe d’une portion du moule de la lorsque le liquide de compression et le fluide d’imprégnation sont injectés simultanément. La est une vue en coupe d’une portion du moule des figures 1 et 2 lorsque le fluide d’imprégnation remplit la chambre d’imprégnation. La est une vue en coupe d’une portion du moule des figures 1, 2 et 3 lorsque le niveau de remplissage de la chambre de compaction est supérieur au niveau de remplissage de la chambre d’imprégnation. La est une vue en coupe d’une portion d’un moule de fabrication pour l’injection d’une barbotine. La est une vue en coupe d’une portion d’un deuxième moule de fabrication lorsque le liquide de compression commence à être injecté. La est une vue en coupe d’une portion du moule de la lorsque les chambres d’imprégnation et de compaction sont remplies. La est une vue en coupe d’une portion du moule des figures 6 et 7 lorsque la chambre de compaction est remplie et fermée. La est une vue en coupe d’une portion de moule comprenant un dispositif d’ajustement du volume de la chambre d’imprégnation. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - disposition d’une préforme fibreuse (10, 20) dans un moule (100, 200) comprenant une chambre d’imprégnation (110, 210) étant en contact avec une première face (11, 21) de la préforme (10, 20) sur une surface de support (111, 211) de la chambre d’imprégnation (110, 210), la chambre d’imprégnation (110, 210) étant fermée par une membrane souple (130, 230) placée en regard d’une deuxième face (12, 22) de la préforme (10, 20) opposée à la première face (11, 21), ladite membrane (130, 230) séparant la chambre d’imprégnation (110, 210) d’une chambre de compaction (120, 220), - injection d’un fluide de compression (2000, 4000) dans la chambre de compaction (120, 220) et injection d’un fluide d’imprégnation (1000, 3000) comprenant un précurseur de matrice dans la chambre d’imprégnation (110, 210), - traitement de solidification du précurseur de matrice au sein de la préforme fibreuse (10, 20) de sorte à obtenir une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux lié par une matrice solide, le procédé étant caractérisé en ce que le fluide de compression (2000, 4000) est un liquide dont la valeur de la masse volumique correspond à entre 60% et 125% de la valeur de la masse volumique du fluide d’imprégnation (1000, 3000). Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la préforme fibreuse (10, 20) disposée dans le moule (100, 200) s’étend sur une hauteur supérieure ou égale à 300 mm selon la direction de l’accélération de pesanteur (g). Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la différence entre la pression exercée par le fluide d’imprégnation (1000, 3000) sur la membrane (130, 230) et la pression exercée par le fluide de compression (2000, 4000) sur la membrane (130, 230) est inférieure à 0,5 bar. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le fluide de compression (2000, 4000) et le fluide d’imprégnation (1000, 3000) ont la même composition. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le fluide d’imprégnation (1000) est une suspension comprenant une pluralité de particules de précurseur de matrice, la surface de support (311) de la chambre d’imprégnation (310) du moule (300) comprenant un filtre (340) configuré pour retenir les particules de la suspension dans la chambre d’imprégnation (310). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins une partie du fluide de compression (2000, 4000) introduit dans la chambre de compaction (120, 220) est ensuite introduite dans la chambre d’imprégnation (110, 210). Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel l’introduction d’une partie du fluide de compression (2000, 4000) dans la chambre d’imprégnation (110, 210) est réalisée par un réseau en série reliant la chambre de compaction (120, 220) et la chambre d’imprégnation (110, 210), ledit réseau comprenant un dispositif permanent de contrôle de pression. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’injection du fluide de compression (2000, 4000) est réalisée au moins en partie pendant le remplissage de la chambre d’imprégnation (110, 210) par le fluide d’imprégnation (1000, 3000) de sorte que la différence de hauteur de remplissage entre le fluide de compression (2000, 4000) et le fluide d’imprégnation (1000, 3000) mesurée au niveau de la membrane (130, 230) selon la direction de l’accélération de pesanteur (g) soit positive ou nulle, et inférieure à 500 mm et de sorte que la différence de pression entre le fluide de compression (2000, 4000) et le fluide d’imprégnation (1000, 3000) de part et d’autre de la membrane (130, 230) soit inférieure à 0,3 bar. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel on augmente la pression exercée sur la membrane (130, 230) par le fluide de compression (2000, 4000) après le remplissage de la chambre d’imprégnation (110, 210). Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel l’augmentation de la pression exercée sur la membrane (130) par le fluide de compression (2000) est réalisée en augmentant la hauteur de remplissage du fluide de compression (2000). Procédé de fabrication selon la revendication 9 ou 10, dans lequel le fluide de compression (4000) présente une compressibilité isotherme inférieure à 10 -9 Pa - 1 et les parois de la chambre de compaction (231) sont indéformables à l’exception de la membrane (230), l’augmentation de la pression exercée sur la membrane (230) par le fluide de compression (4000) étant réalisée en fermant la chambre de compaction (220) de sorte qu’elle soit remplie par le fluide de compression (4000). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le fluide de compression (4000) présente une compressibilité isotherme inférieure à 10 -9 Pa - 1 et les parois (231) de la chambre de compaction (220) sont indéformables à l’exception de la membrane (230), et dans lequel le fluide d’imprégnation (3000) est injecté dans la chambre d’imprégnation (210) une fois que la chambre de compaction (220) est remplie par le fluide de compression (4000) et fermée. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le moule comprend un dispositif (401, 402) d’ajustement du volume de la chambre de compaction comportant au moins un élément mobile.