Brevet FR3136190A1 — publié le 20231208

L’invention concerne un procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10), ledit procédé comprenant un procédé de pultrusion et comprenant : - une étape d'alimentation (110), fournissant des fibres (12) dans une direction A d'un chemin de pultrusion, - une étape de mouillage (120) des fibres (12), qui comprend le passage des fibres à travers une composition thermoplastique (14), - une étape de chauffage (130), qui comporte la polymérisation (131) de la composition thermoplastique (14) ayant imprégné les fibres pour former un composite thermoplastique chauffé (16) ayant une première section (S1), - une étape de mise en forme (140), par un dispositif de mise en de mise en forme (17) ayant une deuxième section (S2), et la deuxième section (S2) étant plus petite que la première section (S1), pour obtenir un composite thermoplastique chauffé (18) ayant une deuxième section (S2), et - une étape de refroidissement (150) pour produire un composite thermoplastique mis en forme (10). Figure à publier avec l’abrégé : FIGURE 1 Procédé de production d’un composite thermoplastique mis en forme, composite thermoplastique mis en forme et système de production d’un composite thermoplastique mis en forme. Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine des composites thermoplastiques, et plus précisément le domaine des éléments de renforcement. Cette invention porte sur un nouveau procédé de production d’un composite thermoplastique mis en forme, un composite thermoplastique mis en forme et un système de production d’un composite thermoplastique mis en forme. Description de l’état de l'art Des éléments de renforcement sont couramment utilisés pour renforcer des structures dans plusieurs secteurs comme l’automobile, les transports, l’aéronautique, l’industrie aérospatiale, le photovoltaïque, la construction et le bâtiment, et/ou les applications d’énergie éolienne. Des éléments de renforcement prenant la forme d’éléments de renforcement composites sont connus à ce jour. Habituellement, un élément de renforcement composite comprend une matrice (généralement une matrice polymère comportant un polymère thermodurcissable) et des fibres (sous forme de substrat fibreux). De tels éléments de renforcement composites sont souvent produits par un procédé de pultrusion. Les procédés de pultrusion classiques impliquent d'étirer un faisceau de fibres à travers une filière de pultrusion permettant de mouiller les fibres, les imprégner en les faisant passer à travers un bain de résine ou dans une boîte d’injection, polymériser la résine et refroidir le faisceau imprégné pour former un profilé composite à la sortie de ladite filière. Le procédé de pultrusion permet d’obtenir des profilés de section constante avec de bonnes propriétés mécaniques. Le profilé est complètement formé lorsqu’il quitte la filière de pultrusion. Dans le cas de résines thermodurcissables, le profilé ne peut en outre plus être modifié une fois qu’il a quitté la filière. Cette technique nécessite de disposer d’un outillage complet pour chaque section de profilé que l’on souhaite fabriquer, de la zone d’imprégnation à la sortie de la filière. De plus, les polymères thermodurcissables présentent d’autres inconvénients comme des temps de cycle longs, une forte consommation d’énergie, une faible recyclabilité des matériaux utilisés, la toxicité de certains composants et l'émission de composés organiques volatils. Autre désavantage des matériaux thermodurcissables, le retrait volumique après durcissement qui affecte la stabilité dimensionnelle et l’apparence de surface après moulage et nécessite un traitement spécifique. On sait également fabriquer un élément de renforcement avec de la résine comportant un polymère thermoplastique. Avantageusement, l’élément de renforcement comprenant un polymère thermoplastique peut être successivement chauffé et refroidi pour changer ou modifier la géométrie du polymère thermoplastique. Cependant, des chauffages successifs réduisent la stabilité thermique et dégradent certaines caractéristiques de l’élément de renforcement comme la résistance au pliage, la résistance à la flexion, et peuvent se solder par une rétention et un délaminage. Les procédés de pultrusion avec polymère thermoplastique peuvent comprendre la fusion du polymère, l’imprégnation des fibres et le calibrage par refroidissement, sans réaction de polymérisation. Cependant, le taux d’imprégnation des fibres est faible et inhomogène. En fait, en raison de la viscosité élevée des résines thermoplastiques, une imprégnation suffisante et homogène des fibres est à ce jour difficile à atteindre. En effet, d’une part la viscosité de la résine génère des niveaux très élevés de pression qui provoquent la rupture des fibres (susceptible de provoquer des défaillances mécaniques, en particulier un délaminage des fibres, et d’affaiblir le matériau composite final), et d’autre part la faible homogénéité (zones riches en résine et zones riches en fibres) conduit à la création de passages pour la résine, ce qui affaiblit le composite. Ces problèmes sont accentués par l’utilisation de résines présentant des températures de fusion élevées. Pour résoudre ce problème, la demande internationale de brevet WO2017219143 propose comme solution un procédé de pultrusion d’une poutre comprenant une première filière ayant une partie de canal effilée et chauffée pour atteindre la viscosité souhaitée, une cavité sous vide pour retirer l’air, et une deuxième filière ayant une partie de canal effilée également chauffée pour augmenter l’imprégnation des fibres. Cependant, chauffage, imprégnation et mise en forme sont effectués en même temps. Selon ce procédé, de nombreux composés volatils sont produits, et cela augmente donc la porosité du composite, des composés volatils restant piégés dans le composite. De plus, ce procédé nécessite d’être alimenté avec une préforme comportant un polymère et des fibres sans polymérisation, et par conséquent les mêmes inconvénients que ci-dessus se reproduisent (défaillances mécaniques, délaminage des fibres et affaiblissement du matériau composite final). Enfin, d’autres techniques ont été mises au point, et en particulier la pultrusion réactive. Cette technologie utilise des monomères thermoplastiques réactifs avec une très faible viscosité, ce qui permet d’imprégner une grande quantité de fibres. Dans ce cas, le profilé sort généralement avec la forme finale de la filière de pultrusion, intègre une zone d’imprégnation suivie de la zone de polymérisation ayant la forme du profilé souhaité, de sorte que le composite quitte la filière dans sa forme finale, généralement à l’état solide. La zone de polymérisation agit donc également comme une zone de calibrage. Bien que ces techniques tentent de calibrer des composites (thermodurcis ou thermoplastiques), les composites présentent généralement un retrait. La réaction de polymérisation conduit également à un important retrait. Le retrait se solde par une perte de pression dans la filière de pultrusion pendant le procédé. Cette perte de pression induit une porosité relativement élevée, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques réduites, une plus grande quantité de monomères résiduels, une absorption d’eau plus importante, une perte de conductivité électrique et de résistance chimique. En effet, une plus grande quantité de gaz et d’air est présente dans le composite, ce qui dégrade ses qualités. En outre, certains polymères présentent une forte absorption d’eau dans des conditions humides, ce qui peut conduire à des changements dimensionnels, des contraintes internes, un délaminage, et d’importants changements dans les propriétés de la matrice. Par conséquent, il existe un besoin pour des solutions permettant de générer un composite thermoplastique mis en forme avec une porosité réduite. Ce qui suit constitue un résumé simplifié d’aspects, de modes de réalisation et d’exemples choisis de la présente invention afin de fournir une compréhension de base de l’invention. Cependant, ce résumé ne constitue pas un aperçu complet de tous les aspects, modes de réalisation et exemples de l’invention. Le seul objectif du résumé est de présenter des aspects, modes de réalisation et exemples choisis de l’invention sous une forme concise comme introduction à la description plus détaillée des aspects, modes de réalisation et exemples de l’invention qui suit le résumé. L’invention a pour objectif de remédier aux inconvénients de l’art antérieur. En particulier, l’invention propose un procédé de production d’un composite thermoplastique mis en forme, ledit procédé comprenant un procédé de pultrusion et comprenant : - une étape d'alimentation, par un dispositif d'alimentation en fibres, ladite étape d'alimentation fournissant des fibres dans une direction d'un chemin de pultrusion ; - une étape de mouillage des fibres, par un dispositif d’imprégnation, qui comprend le passage des fibres à travers une composition thermoplastique, ladite composition thermoplastique étant une résine thermoplastique ou un précurseur de résine thermoplastique et comprenant au moins 50 % en poids de monomères ; - une étape de chauffage, par un dispositif de chauffage, qui comporte la polymérisation de la composition thermoplastique ayant imprégné les fibres pour former un composite thermoplastique chauffé ayant une première section ; - une étape de mise en forme du composite thermoplastique chauffé, par tirage du composite thermoplastique chauffé à travers un dispositif de mise en forme, le dispositif de mise en forme ayant une deuxième section, et la deuxième section étant plus petite que la première section, pour obtenir un composite thermoplastique chauffé ayant une deuxième section ; - une étape de refroidissement, par un dispositif de refroidissement, à une température de refroidissement inférieure à une température de transition vitreuse du composite thermoplastique chauffé ayant la deuxième section pour produire un composite thermoplastique mis en forme. L’avantage de ce procédé est qu’il se solde par un composite thermoplastique mis en forme avec une porosité réduite par rapport à celles obtenues avec les procédés classiques actuels. En effet, le procédé mis au point permet d’appliquer une pression au composite thermoplastique pendant la production, ce qui permet de réduire la porosité. Avantageusement, cette pression est appliquée au composite thermoplastique chauffé, ce qui facilite l’application d’une pression. Par conséquent, le composite thermoplastique mis en forme a une porosité réduite, ce qui améliore ses propriétés mécaniques et chimiques. De plus, grâce au procédé, le retrait chimique tout comme le retrait thermique sont pris en compte, ce qui réduit encore la porosité. De plus, le procédé améliore les qualités de surface, comme une surface plus lisse et moins rugueuse, ce qui facilite d’autres traitements comme un revêtement. Par conséquent, le procédé selon l’invention améliore la conductivité électrique, la résistance chimique et/ou mécanique de composites thermoplastiques mis en forme, tout en permettant de réduire l’absorption d’eau, les attaques alcalines, les changements dimensionnels, et les modifications dans la matrice. Avantageusement, grâce au procédé, la production de composés volatils est réduite, et ils ne sont pas piégés dans le composite thermoplastique mis en forme. Selon d’autres éléments facultatifs du procédé selon l’invention, il peut éventuellement comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou combinées : - le procédé de pultrusion est un procédé de pultrusion réactive, ce qui améliore les propriétés mécaniques et/ou chimiques, - l’étape d’alimentation et l’étape de mouillage sont réalisées de telle sorte que le composite thermoplastique mis en forme comprend au moins 60 % en volume de fibres, ce qui améliore ainsi les propriétés mécaniques et/ou chimiques du composite thermoplastique mis en forme, - l'étape de refroidissement se déroule en même temps que l’étape de mise en forme, ce qui économise du temps tout en prenant en compte le retrait thermique, par exemple, - le procédé comprend une étape d’évacuation avant l’étape de mise en forme, qui permet de réduire la porosité et réduire la présence d’air et de composés volatils dans le composite thermoplastique chauffé, ce qui réduit encore la porosité. Selon un autre aspect, la présente invention concerne également un composite thermoplastique mis en forme pouvant être obtenu, de préférence obtenu, par le procédé selon l’invention. Un composite thermoplastique mis en forme selon l'invention a une porosité réduite qui permet d’obtenir de meilleures propriétés mécaniques et/ou chimiques, une meilleure absorption d'eau (ici, une meilleure absorption d’eau signifie que l’absorption d’eau est plus faible), et une meilleure conductivité électrique. Avantageusement, le composite thermoplastique mis en forme selon l’invention peut présenter une porosité inférieure ou égale à 10 %, rapporté au volume total du composite thermoplastique mis en forme. Un autre aspect de la présente invention concerne une utilisation d’un composite thermoplastique mis en forme selon l’invention dans des applications dans l’automobile, les transports, le nautisme, les chemins de fer, le sport, l’aéronautique, l’industrie aérospatiale, le photovoltaïque, l'informatique, la construction et le bâtiment, les télécommunications et/ou l’énergie éolienne. En effet, le fait de disposer d’un composite thermoplastique mis en forme avec une porosité réduite revêt un intérêt particulier dans ces secteurs. Selon un autre aspect, la présente invention concerne un dispositif de mise en forme adapté pour réduire une première section d’un composite thermoplastique chauffé jusqu’à une deuxième section pour former un composite thermoplastique mis en forme ayant une deuxième section, ladite deuxième section étant plus petite que la première section et le composite thermoplastique mis en forme comprenant au moins 60 % en volume de fibres. Un dispositif de mise en forme selon l’invention permet de réduire la porosité du composite thermoplastique et par conséquent d’obtenir de meilleures qualités. Avantageusement, le dispositif de mise en forme est également adaptable et peut être mis en œuvre dans n'importe quel système de pultrusion ou de pultrusion réactive pour thermoplastiques. Le dispositif de mise en forme selon l’invention peut comprendre au moins une entrée et au moins une sortie, la sortie étant plus petite que l’entrée, appliquant ainsi une pression. Selon un autre aspect , la présente invention a trait à un système de production d'un composite thermoplastique mis en forme, comprenant : - un dispositif d'alimentation en fibres, configuré pour fournir des fibres dans une direction d'un chemin de pultrusion, - un dispositif d’imprégnation, configuré pour mouiller des fibres à travers une composition thermoplastique, ladite composition thermoplastique étant une résine thermoplastique ou un précurseur de résine thermoplastique et comprenant au moins 50 % en poids de monomères, - un dispositif de chauffage, configuré pour provoquer la polymérisation de la composition thermoplastique ayant imprégné les fibres pour former un composite thermoplastique chauffé ayant une première section, - un dispositif de mise en forme, configuré pour mettre en forme le composite thermoplastique chauffé en fonction d’une deuxième section, le dispositif de mise en forme ayant une deuxième section, et la deuxième section étant plus petite que la première section, pour fournir un composite thermoplastique chauffé ayant une deuxième section, le dispositif de mise en forme faisant face au dispositif précédent, - un dispositif de refroidissement, configuré à une température de refroidissement inférieure à une température de transition vitreuse du composite thermoplastique chauffé ayant la deuxième section pour produire un composite thermoplastique mis en forme. Le système selon l’invention permet de produire un composite thermoplastique mis en forme présentant une porosité réduite. Selon d’autres éléments facultatifs du système selon l’invention, il peut éventuellement comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou combinées : - il comprend un espace vide, un vide ou un espace d'air, - l’espace vide, le vide ou l’espace d’air est disposé entre le dispositif de chauffage et le dispositif de mise en forme, - le dispositif de mise en forme comprend au moins une entrée et au moins une sortie, la sortie faisant face au dispositif de refroidissement. Ce qui précède et d’autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention deviendront plus clairs à la lecture de la description détaillée suivante considérée conjointement avec les dessins qui l’accompagnent dans lesquels : La représente un schéma fonctionnel d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention. La représente une vue schématique d’un système selon un mode de réalisation de l’invention. La représente des images de microscopie à gradient de champ d’un composite thermoplastique mis en forme. Plusieurs aspects de la présente invention sont décrits par renvoi à des schémas fonctionnels et/des schémas de principe de procédés et de dispositifs selon des modes de réalisation de l’invention. Sur les figures, les schémas fonctionnels et/ou les schémas de principe montrent l’architecture, la fonctionnalité et la mise en œuvre possible de dispositifs ou systèmes ou procédés, selon plusieurs modes de réalisation de l’invention. À cet effet, chaque case dans les schémas fonctionnels ou les schémas de principe peut représenter un système, un dispositif, un module qui comprend plusieurs instructions exécutables pour mettre en œuvre la ou les fonctions logiques spécifiées. Dans certaines mises en œuvre, les fonctions associées à la case peuvent apparaître dans un ordre différent de celui indiqué dans les dessins. Par exemple, deux cases présentées successivement peuvent être exécutées de façon sensiblement simultanée, ou bien des cases peuvent parfois être exécutées dans l’ordre inverse, selon la fonctionnalité impliquée. Chaque case des schémas fonctionnels ou des schémas de principe, et les combinaisons de cases dans les schémas fonctionnels ou les schémas de principe peuvent être mises en œuvre par des systèmes spéciaux qui réalisent les fonctions ou actions spécifiées ou réalisent des combinaisons d’équipements et d’instructions informatiques spécifiques. Procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10), ledit procédé comprenant un procédé de pultrusion et comprenant : - une étape d'alimentation (110), par un dispositif d'alimentation en fibres (11), ladite étape d'alimentation fournissant des fibres (12) dans une direction A d'un chemin de pultrusion, - une étape de mouillage (120) des fibres (12), par un dispositif d’imprégnation (13), qui comprend le passage des fibres à travers une composition thermoplastique (14), ladite composition thermoplastique (14) étant une résine thermoplastique ou un précurseur de résine thermoplastique et comprenant au moins 50 % en poids de monomères, - une étape de chauffage (130), par un dispositif de chauffage (15), qui comporte la polymérisation (131) de la composition thermoplastique (14) ayant imprégné les fibres pour former un composite thermoplastique chauffé (16) ayant une première section (S1), - une étape de mise en forme (140) du composite thermoplastique chauffé (16), par tirage du composite thermoplastique chauffé (16) à travers un dispositif de mise en forme (17), le dispositif de mise en forme (17) ayant une deuxième section (S2), et la deuxième section (S2) étant plus petite que la première section (S1), pour obtenir un composite thermoplastique chauffé (18) ayant une deuxième section (S2), et - une étape de refroidissement (150), par un dispositif de refroidissement (19), à une température de refroidissement inférieure à une température de transition vitreuse du composite thermoplastique chauffé (18) ayant la deuxième section (S2) pour produire un composite thermoplastique mis en forme (10). Procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé de pultrusion est un procédé de pultrusion réactive. Procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’étape d’alimentation (110) et l’étape de mouillage (120) sont réalisées de telle sorte que le composite thermoplastique mis en forme comprend au moins 60 % en volume de fibres. Procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de refroidissement (150) se déroule en même temps que l’étape de mise en forme (140). Procédé (100) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé (100) comprend une étape d’évacuation (135) avant l’étape de mise en forme (140). Composite thermoplastique mis en forme (10) obtenu, par le procédé (100) selon une des revendications 1 à 5. Composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il présente une porosité inférieure ou égale à 10 %, rapporté au volume total du composite thermoplastique mis en forme (10). Utilisation d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication précédente dans des applications dans l’automobile, les transports, le nautisme, les chemins de fer, le sport, l’aéronautique, l’industrie aérospatiale, le photovoltaïque, l'informatique, la construction et le bâtiment, les télécommunications et/ou l’énergie éolienne. Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10), comprenant - un dispositif d'alimentation en fibres (11), configuré pour fournir des fibres (12) dans une direction d'un chemin de pultrusion A, - un dispositif d’imprégnation (13), configuré pour mouiller les fibres (12) à travers une composition thermoplastique (14), ladite composition thermoplastique (14) étant une résine thermoplastique ou un précurseur de résine thermoplastique et comprenant au moins 50 % en poids de monomères, - un dispositif de chauffage (15), configuré pour provoquer la polymérisation de la composition thermoplastique (14) ayant imprégné les fibres pour former un composite thermoplastique chauffé (16) ayant une première section (S1), - un dispositif de mise en forme (17), configuré pour mettre en forme le composite thermoplastique chauffé (16) en fonction d’une deuxième section (S2), le dispositif de mise en forme (17) ayant une deuxième section (S2), et la deuxième section (S2) étant plus petite que la première section (S1), pour fournir un composite thermoplastique chauffé (18) ayant une deuxième section (S2), le dispositif de mise en forme (17) faisant face au dispositif précédent, - un dispositif de refroidissement (19) configuré à une température de refroidissement inférieure à une température de transition vitreuse du composite thermoplastique chauffé (18) ayant la deuxième section (S2) pour produire un composite thermoplastique mis en forme (10). Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’il comprend un espace vide, un vide, ou un espace d'air. Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l’espace vide, le vide ou l’espace d'air est disposé entre le dispositif de chauffage (15) et le dispositif de mise en forme (17). Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme (17) comprend au moins une entrée et au moins une sortie, la sortie faisant face au dispositif de refroidissement (19). Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme (17) configuré pour réduire la première section (S1) du composite thermoplastique chauffé jusqu’à une deuxième section (S2) pour former le composite thermoplastique mis en forme (10) ayant une deuxième section (S2), ladite deuxième section (S2) étant plus petite que la première section (S1) et le composite thermoplastique mis en forme (10) comprenant au moins 60 % en volume de fibres. Système (200) de production d’un composite thermoplastique mis en forme (10) selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme comprend au moins une entrée et au moins une sortie, la sortie étant plus petite que l’entrée.