Brevet FR3131864A1 — publié le 20230721

Selon un procédé de fabrication de profilé en continu en matière composite thermoplastique, on a les étapes consistant à : - faire glisser dans une direction de tirage dans des moyens de conformation (22) comportant un mandrin (220) une pluralité de cordons (30) comportant une âme (301) avec des fibres de renforts (3010) enrobées dans une première matrice (3011) en une première matière thermoplastique, les cordons étant répartis en périphérie de la section du mandrin ; - déposer par enroulement autour de la pluralité de cordons (30) un système d’au moins une couche de renfort (33) comprenant des fibres, - assembler par fusion dans une étape d’agglomération la pluralité des cordons (30) et le système d’au moins une couche de renfort (33), et - avec un calibreur (222), calibrer et refroidir la section pour conférer une section prédéterminée au profilé (3) et obtenir le profilé (3) après le durcissement. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de fabrication d’un profilé composite et profilé ainsi obtenu L’invention concerne un procédé de fabrication d’un profilé composite comportant des fibres continues et une matrice en matière thermoplastique. Il concerne également un profilé obtenu par ce procédé de fabrication. Il est connu de réaliser des profilés en matière composite comprenant des fibres continues enrobées dans une matrice de matière synthétique. Les fibres sont par exemple des fibres de verre, des fibres de carbone, en matière synthétique ou des fibres végétales. De tels profilés sont réputés être légers et de bonne résistance. L’utilisation d’une matrice en matière thermoplastique permet de bénéficier de propriétés physiques ou chimiques spécifiques des matières thermoplastiques, par exemple pour transformer ensuite les profilés en ramollissant ou faisant fondre la matière et en conférant une nouvelle forme. Elle permet également de faciliter le recyclage des objets construits avec ces profilés. L’un des procédés connus de fabrication de tels profilés est la pultrusion qui consiste à tirer un faisceau de fibres unidirectionnelles au travers d'une filière permettant d’imprégner lesdites fibres d’une résine polymérisable et de polymériser la résine dans la filière pour former un profilé composite en sortie de ladite filière, constitué des fibres de renfort et d'une matrice incorporant les fibres. Les résines utilisées sont majoritairement de type thermodurcissable mais peuvent également être de type thermoplastique. Le faisceau de fibres est typiquement un regroupement de mèches, chaque mèche étant composée d'une multitude de fibres, par exemple de fibres de verre, placées côte-à-côte sans entrecroisement. Une mèche est aussi appelée « stratifil » dans le cas du verre ou désigné par le terme anglais « roving ». Dans un cas particulier, la polymérisation des précurseurs thermoplastiques (monomères et oligomères) a lieu in situ dans l’outillage de pultrusion. Les précurseurs utilisés sont en général de faible viscosité, ce qui a l’avantage de permettre l’utilisation des taux de renfort très importants tout en ayant une excellente et très homogène imprégnation des fibres. Les systèmes réactifs existant pour la pultrusion sont principalement basés sur des mécanismes de polymérisation anionique de monomères comme pour le polyamide 6, à partir d’ε-caprolactame, le polyamide 12, à partir de lauryl-lactame, des polymérisations radicalaires comme avec le PMMA, à partir de méthacrylate de méthyle ou des polycondensations comme avec le polybutylène téréphtalate (PBT) ou le polyéthylène téréphtalate (PET) à partir de polybutylène téréphtalate aromatique, respectivement de polyéthylène téréphtalate aromatique. Dans la suite du document, on appellera résine le mélange des précurseurs qui formera le polymère et la matrice après la réaction de polymérisation. Le profilé est formé dans une filière de pultrusion qui intègre une zone d’imprégnation suivi de la zone de polymérisation faisant également office de zone de calibrage puisqu’elle confère la forme souhaitée au profilé, de sorte que le profilé sort généralement à l’état solide, c’est-à-dire à une température en dessous du point de fusion de la matière qui le compose. Ces outillages sont extrêmement onéreux du fait de leurs dimensions et du fait qu’ils intègrent des composants pour maîtriser l’évolution de la température. De plus, chaque outillage est spécifique à une section de profilé. La productivité est limitée par la vitesse de polymérisation et par le compromis qu’il est nécessaire de faire entre la longueur de la filière et les efforts de traction générés dans la filière sur le profilé. Même si la vitesse de polymérisation peut être contrôlée par l’ajout de composants dédiés, celle-ci est limitée par la nécessité de transférer le mélange de résine dans l’outillage et de mouiller le faisceau de fibres. Le document US 5,310,600 montre une technique de fabrication de composite à base de matrice en polyamide et de fibres continues, selon laquelle un faisceau de fibres est d’abord imprégné de résine réactive puis enrobé dans une gaine thermoplastique. La réaction de polymérisation se produit dans la gaine en portant celle-ci à une température suffisante pour la réaction de polymérisation. Le cordon ainsi formé est ensuite découpé en granulés, avec ou sans retrait de la gaine pour servir de matière de moulage par injection. Cette technique a l’avantage de simplifier l’outillage puisqu’il n’est plus nécessaire de calibrer le cordon pendant la phase de polymérisation. La gaine sert de soutien mécanique et de barrière contre le risque d’évaporation des monomères de la résine pendant la phase de polymérisation. Cette approche permet d’avoir un outillage plus simple, non dédié à une section et d’augmenter la cadence de production en permettant des dimensions plus importantes puisque la taille de l’outillage peut être agrandie sans augmentation des efforts de tirage. Le document WO 2011/156693 A2 montre un procédé de réalisation de profilés comprenant principalement deux étapes. Dans une première étape, des rubans sont fabriqués à partir de fibres en continu qui sont enrobées de matière thermoplastique fondue. Ces rubans sont ensuite assemblés en pile et l’assemblage passe dans une filière alors que la matière thermoplastique est à nouveau fondue. On réalise ainsi un profilé de section rectangulaire. La technique d’enrobage de fibres par de la matière thermoplastique fondue n’a jamais été convaincante, du fait que la matière reste trop visqueuse et ne peut imprégner qu’une faible section de fibres et avec une faible densité de fibres. Le document FR3053912A1 montre la fabrication d’un profilé composite à matrice thermoplastique avec courbure en pultrusion réactive, pour la réalisation d’éléments structurels particuliers. Un matériau intermédiaire comprenant les fibres longitudinales et une matrice en matière thermoplastique malléable est préparé dans une filière rectiligne, puis extraite à travers un calibreur courbe qui refroidit le profilé pour le durcir. Des moyens de tirage accompagnent la courbure conférée au profilé. Cette technique nécessite un outillage dédié pour chaque section. Le document US 4,202,718 montre un procédé de fabrication d’un profilé rectiligne comportant des cordons de renfort longitudinaux déposés sur un cœur tubulaire et renforcés par un au moins une couche d’enroulement. Un calibreur détermine la section finale. L’ajout de la couche d’enroulement permet de rehausser la résistance du profilé à d’autres sollicitations que la sollicitation axiale. Cette technique ne permet pas une densité importante de fibres. L’invention vise à fournir un procédé de fabrication de profilés en matière composite à matrice thermoplastique qui permette une grande productivité et de bonnes propriétés mécaniques, avec un outillage simple. Elle vise également des profilés obtenus par ce procédé. Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un procédé de fabrication de profilé en continu en matière composite thermoplastique, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : - faire glisser dans une direction de tirage dans des moyens de conformation comportant un mandrin une pluralité de cordons comportant une âme avec des fibres de renforts enrobées dans une première matrice en une première matière thermoplastique, les cordons étant répartis en périphérie de la section du mandrin ; - déposer par enroulement autour de la pluralité de cordons un système d’au moins une couche de renfort comprenant des fibres, - assembler par fusion dans une étape d’agglomération la pluralité des cordons et le système d’au moins une couche de renfort, et - avec un calibreur, calibrer et refroidir la section pour conférer une section prédéterminée au profilé et obtenir le profilé après le durcissement. L’utilisation de cordons déjà produits permet de fabriquer des profilés avec une haute densité en fibres pour fournir une grande résistance mécanique, et avec une haute productivité. En effet, la constitution du profilé ne nécessite qu’une phase de fusion de la matière thermoplastique pour agglomérer les cordons et un durcissement par refroidissement, sans phase de maintien en température comme dans le procédé de pultrusion réactive. Les fibres dans les cordons sont par exemple longitudinales. Les moyens de conformation permettent de compacter la pluralité de cordons et la couche de renfort. La résistance mécanique est considérablement améliorée avec l’ajout d’au moins une couche de renfort pour les sollicitations différentes de la traction pure. L’utilisation de matière thermoplastique permet de déterminer la section du profilé avec un outillage qui peut être partagé en partie avec un outillage pour d’autres sections de profilés. De plus, la conformation de la section en aval de la dépose de la couche de renfort permet d’obtenir des sections avec notamment des angles rentrants dont l’obtention directe par enroulement serait impossible. Le procédé est adapté à toute matière thermoplastique. On peut citer à titre d’exemple le polycarbonate (PC), le polypropylène (PP), le polystyrène (PPS), le polyétheréthercétone (PEEK). Selon une disposition constructive, dans l’étape d’agglomération, les moyens de conformation comporte une filière qui entoure le mandrin, les sections du mandrin et de la filière évoluant dans la direction de tirage pour contraindre le système d’au moins une couche de renfort contre la pluralité de cordons. On effectue ainsi un compactage de la pluralité de cordons entre eux et contre la couche de renfort afin d’obtenir la section souhaitée et une bonne liaison entre eux. Selon une disposition constructive, le mandrin comporte au moins une rainure s’étendant dans la direction de tirage afin de guider au moins l’un des cordons. On gère ainsi la manière dont les cordons s’assemble entre eux. En général, chaque cordon est guidé par une rainure. Les rainures peuvent avoir une section en vé, rectangulaire, en portion circulaire ou autre. Selon un perfectionnement, le mandrin comporte au moins deux rainures dont une première rainure est moins profonde qu’une deuxième rainure à l’entrée des moyens de conformation, la deuxième rainure étant de même profondeur que la première rainure à la sortie des moyens de conformation. On force ainsi le cordon dans la deuxième rainure à s’insérer à côté du cordon dans la première rainure, ce qui met en pression les cordons contre la couche de renfort. On obtient ainsi un bon compactage. Selon un perfectionnement, le mandrin est courbe et permet d’obtenir un profilé courbe. L’obtention de profilés courbes est intéressante notamment pour obtenir des éléments structurels tels que des arches, des portions de couples ou des éléments de structure de véhicules. Le mandrin courbe permet de constituer le profilé dans sa forme courbe avant le durcissement de celui-ci. La couche de renfort est également déposée en suivant la courbure du profilé. Selon un autre perfectionnement, pendant l’étape d’agglomération, des moyens de conformation, y compris le mandrin, évoluent dans la direction de tirage pour changer la section de l’ensemble formé par la pluralité de cordons et le système d’au moins une couche de renfort depuis une section initiale au niveau de l’enroulement vers la section prédéterminée du profilé. Une fois qu’une base est constituée, on peut faire évoluer la section de cette base, notamment en rapprochant, voire en joignant des parties opposées de la paroi de la base. On peut à l’extrême limite, faire disparaître la cavité et obtenir une section avec une paroi recouverte sur chacune de ces faces de la couche de renfort. En principe, le périmètre de la couche de renfort ne change pas et il faut prévoir une évolution de la section en conservant le même périmètre. Selon un mode de réalisation, au moins une partie des cordons comportent une gaine faite avec la deuxième matière thermoplastique, laquelle est fondue au moins dans l’étape d'agglomération pour agglomérer les âmes des cordons. L’essentiel de la matière qui permet la réunion des cordons est directement amenée avec eux. La deuxième matière thermoplastique peut être la même que la première, ce qui permet d’assurer une continuité entre l’âme et la deuxième matrice. Elle peut aussi être distincte pour apporter d’autres propriétés, notamment une protection contre l’humidité si la première matière thermoplastique est sensible à l’humidité, ou en apportant des fonctionnalités de surface, comme une protection aux ultraviolets ou une conductivité électrique suffisante pour utilisation de peinture par poudre. Selon un perfectionnement, le système d’au moins une couche de renfort est formé par une bande de renfort préalablement enrobée d’une troisième matière thermoplastique. Ainsi, la bande de renfort est préimprégnée et forme une couche de composite après refroidissement et solidification. La bande de renfort est par exemple chauffée avant l’enroulement pour fondre la troisième matière thermoplastique. La couche est par exemple formée par un ruban de fibres continues enrobées par pultrusion réactive. Selon un mode de réalisation, pendant l’étape d’agglomération, on chauffe la pluralité de cordons à une température supérieure à la température de fusion de la première matière thermoplastique, la section des âmes étant déformée lors de l’étape d’agglomération. On peut ainsi utiliser des cordons ayant, par exemple une section ronde, et les conformer pour que les âmes remplissent au mieux la section du profilé à obtenir. On pourra ainsi avoir une grande densité de fibres, par exemple plus de 50 % en volume, voire plus de 60 % ou 70 %. Les cordons apportent de préférence la totalité, ou au moins l’essentiel de la matière du profilé final. On pourra apporter une éventuelle matière complémentaire sous pression pour combler les variations de volume des cordons en garantissant un bon compactage et la réduction d’éventuels creux ou criques. Cet apport est inférieur à 5 % de la section, voire inférieur à 2 %. Selon un perfectionnement, le nombre de couches d’enroulement est d’au moins deux, avec une première couche d’enroulement enroulée dans un premier sens et une deuxième couche d’enroulement enroulée dans un deuxième sens opposé au premier sens. Un enroulement seul peut avoir tendance, selon sa masse, à induire un vrillage du profilé. L’ajout d’un deuxième enroulement en sens inverse permet d’équilibrer cette tendance et de l’annuler. De plus, du fait du croisement des directions des fibres entre les couches d’enroulement, on obtient un ensemble encore plus solide. Selon un perfectionnement, on dépose après la couche d’enroulement et en amont des moyens de conformation une couche de glissement comportant des fibres de renfort s’étendant dans la direction de tirage. La couche de glissement a un effet d’entraînement pour la couche de renfort sous-jacente. On évite ainsi de repousser et déstructurer la couche de renfort, notamment si celle-ci a un angle d’enroulement prononcé, lorsqu’elle entre dans les moyens de conformation, notamment dans une filière. Dans une disposition particulière, la couche de glissement est elle-même constituée par des cordons. Dans ce cas, la filière pourra comporter des rainures pour guider les cordons de la couche de glissement. Selon un perfectionnement, on dépose par-dessus le système d’au moins une couche de renfort au moins une deuxième pluralité de cordons puis au moins un deuxième système d’au moins une couche de renfort en amont des moyens de conformation. On peut ainsi réaliser un profilé complexe avec plusieurs couches successives ayant des fibres de renfort croisées ou non. Selon une disposition particulière, les cordons de la pluralité de cordons ont une section dont le rapport périmètre sur aire est inférieur ou égal à 4 mm -1 . Le rapport périmètre sur aire permet de caractériser la forme et la taille des cordons. Avec une valeur de 4 mm -1 , on sélectionne des cordons de section plutôt massive, pas très fins. Pour un cordon de section ronde et de diamètre 1 mm, la valeur vaut 4 mm -1 . Le critère permet de retenir les cordons ronds de diamètre supérieur ou égal à 1 mm. Pour un cordon de section rectangulaire de 6 x 0,6 mm, le rapport vaut 3,7. La sélection de cordons selon ce critère permet d’obtenir les sections souhaitées en limitant les contraintes aux interfaces des cordons entre eux et les flux de matière fondue, et donc en limitant des risques de rupture de fibres ou de création de criques emprisonnant de l’air. La limitation des contraintes provient de la limitation du nombre de cordons, en utilisant des cordons de section conséquente, et en limitant la surface de contact entre eux, avec une forme compacte. Des cordons de cette taille sont également plus faciles à guider sur le mandrin, en permettant des rainures de guidage plus profondes, donc plus efficaces. Selon un mode de réalisation, la section finale du profilé est supérieure à la somme des sections de la pluralité de cordons et, pendant l’étape d’agglomération, une quatrième matière thermoplastique est apportée pour compléter le profilé jusqu’à la section finale. On garantit ainsi l’obtention d’un profilé sans manque de matière dans la section. Il n’est pas nécessaire que la section finale soit supérieure de manière importante. Selon un perfectionnement, on prévoit une filière d’extrusion en aval des moyens de conformation et dans laquelle la quatrième matière thermoplastique est injectée à la périphérie de la section du profilé pour obtenir la section finale du profilé. On peut ainsi recouvrir la couche de renfort et ajouter des propriétés spécifiques à la surface du profilé. De manière préférentielle, on produit les cordons dans une étape de pultrusion réactive, l’âme comportant des fibres continues. Cette technique permet d’obtenir des âmes avec une haute densité de fibres. De plus, on peut produire les cordons avec une gaine, comme dans la technique exposée par le document US 5,310,600 avec une grande productivité. Par exemple, la pultrusion réactive produit la première matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle et le polytéréphtalate de butylène. L’invention a aussi pour objet un profilé composite, obtenu avec un procédé tel que défini précédemment, et comportant une section constante avec une pluralité d’âmes avec des fibres de renfort enrobées dans une première matrice en une première matière thermoplastique, les âmes étant enrobées dans une deuxième matrice en une deuxième matière thermoplastique et recouvertes par au moins une couche de renfort comprenant des fibres orientées au moins non longitudinalement. La couche de renfort combinée avec une forte densité de fibres longitudinales confère à un tel profilé un comportement mécanique de haute capacité, ce qui permet de l’utiliser comme élément structurel dans de nombreuses applications, notamment dans l’industrie du transport, automobile, ferroviaire ou aéronautique, ou dans l’industrie du bâtiment. Selon une caractéristique du profilé, le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 40 %, de préférence supérieur à 55 %. Selon une caractéristique du profilé, le taux de fibres des âmes en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %. Selon une caractéristique du profilé, les fibres de renfort de l’âme des cordons sont choisies dans un groupe comprenant les fibres de verres, les fibres de carbone, les fibres végétales et les fibres d’aramide. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la est une vue schématique d’une partie d’installation de fabrication mettant en œuvre un procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention ; - la est une vue d’une autre partie de l’installation de la ; - la est une vue en section d’un cordon produit de manière intermédiaire avec l’installation de la ; - la est une vue en coupe longitudinale des moyens de conformation de la ; - la est une vue en perspective d’un mandrin de l’installation de la ; - la est une vue en perspective du mandrin de la selon un autre angle de vue ; - la est une vue en coupe selon le plan VI de la avec une pluralité de cordons et une couche de renfort représentés sur le mandrin pour fabriquer un profilé selon un premier exemple ; - la est une vue en section d’une base tubulaire en cours de fabrication selon un deuxième exemple ; - la est une vue similaire à la plus en aval ; - la est une vue similaire à la plus en aval ; - la est une vue similaire à la avec la section finale du profilé ; - la est une vue en perspective d’un mandrin pour la fabrication d’un troisième exemple de profilé ; - la est une vue en bout du mandrin de la . Procédé de fabrication de profilé en continu en matière composite thermoplastique, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à : - faire glisser, dans une direction de tirage dans des moyens de conformation (22) comportant un mandrin (220), une pluralité de cordons (30) comportant une âme (301) avec des fibres de renforts (3010) enrobées dans une première matrice (3011) en une première matière thermoplastique, les cordons étant répartis en périphérie de la section du mandrin ; - déposer par enroulement autour de la pluralité de cordons (30) un système d’au moins une couche de renfort (33) comprenant des fibres, - assembler par fusion dans une étape d’agglomération la pluralité des cordons (30) et le système d’au moins une couche de renfort (33), et - avec un calibreur (222), calibrer et refroidir la section pour conférer une section prédéterminée au profilé (3) et obtenir le profilé (3) après le durcissement. Procédé de fabrication selon la revendication 1, selon lequel, dans l’étape d’agglomération, les moyens de conformation (22) comporte une filière qui entoure le mandrin (220), les sections du mandrin (220) et de la filière évoluant dans la direction de tirage pour contraindre le système d’au moins une couche de renfort (33) contre la pluralité de cordons (30). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le mandrin (220) comporte au moins une rainure (2201, 2202) s’étendant dans la direction de tirage afin de guider au moins l’un des cordons (30). Procédé de fabrication selon la revendication 3, selon lequel le mandrin (220) comporte au moins deux rainures dont une première rainure (2201) est moins profonde qu’une deuxième rainure (2202) à l’entrée des moyens de conformation (22), la deuxième rainure (2202) étant de même profondeur que la première rainure (2201) à la sortie des moyens de conformation (22). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le mandrin est courbe et permet d’obtenir un profilé courbe. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel, pendant l’étape d’agglomération, des moyens de conformation (22), y compris le mandrin (220), évoluent dans la direction de tirage pour changer la section de l’ensemble formé par la pluralité de cordons et le système d’au moins une couche de renfort (33) depuis une section initiale au niveau de l’enroulement vers la section prédéterminée du profilé (3). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel au moins une partie des cordons (30) comportent une gaine (302) faite avec la deuxième matière thermoplastique, laquelle est fondue au moins dans l’étape d'agglomération pour agglomérer les âmes (301) des cordons (30). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel, pendant l’étape d'agglomération, on chauffe la pluralité de cordons (30) à une température supérieure à la température de fusion de la première matière thermoplastique, la section des âmes étant déformée lors de l’étape d’agglomération. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le nombre de couches de renfort (33) est d’au moins deux, avec une première couche de renfort enroulée dans un premier sens et une deuxième couche de renfort enroulée dans un deuxième sens opposé au premier sens. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on dépose, après le système d’au moins une couche de renfort (33) et en amont des moyens de conformation, une couche de glissement (38) comportant des fibres de renfort s’étendant dans la direction de tirage. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on dépose par-dessus le système d’au moins une couche de renfort (33) au moins une deuxième pluralité de cordons puis au moins un deuxième système d’au moins une couche de renfort (33) en amont des moyens de conformation (22). Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les cordons (30) de la pluralité de cordons ont une section dont le rapport périmètre sur aire est inférieur ou égal à 4 mm -1 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel on produit les cordons (30) dans une étape de pultrusion réactive, l’âme (301) comportant des fibres continues (3010). Procédé selon la revendication 13, dans lequel la pultrusion réactive produit la première matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide-6, le polyamide-12, le polyméthacrylate de méthyle et le polytéréphtalate de butylène. Profilé composite, caractérisé en ce qu’il est obtenu avec un procédé selon l’une des revendications précédentes, et en ce qu’il comporte une section constante avec une pluralité d’âmes (301) avec des fibres de renfort (3010) enrobées dans une première matrice (3011) en une première matière thermoplastique, les âmes (301) étant enrobées dans une deuxième matrice (302) en une deuxième matière thermoplastique et recouvertes par au moins une couche de renfort (33) comprenant des fibres orientées au moins non longitudinalement. Profilé selon la revendication 15, dans laquelle le taux moyen de fibres en volume est supérieur à 40 %, de préférence supérieur à 55 %. Profilé selon l’une des revendications 15 à 16, dans laquelle le taux de fibres des âmes en volume est supérieur à 50 %, de préférence supérieur à 60 %. Profilé selon l’une des revendications 15 à 17, dans laquelle les fibres de renfort de l’âme des cordons sont choisies dans un groupe comprenant les fibres de verres, les fibres de carbone, les fibres végétales et les fibres d’aramide.