Brevet FR3141378A1 — publié le 20240503

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues, comprenant les étapes suivantes : assemblage (S2) de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable dans un moule à température comprise entre 0°C et 60°C pour former une préforme complexe ; fermeture du moule (S3) ; application d’un cycle de chauffe (S4) au moule afin de réduire la viscosité du polymère thermodurcissable, la différence maximale de température entre deux points quelconques du moule étant inférieure ou égale à 15°C ; application d’une pression (S5) dans le moule lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est comprise entre 10 et 1000 Pa.s. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE A MATRICE THERMODURCISSABLE RENFORCEE PAR DES FIBRES LONGUES DISCONTINUES Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues. La fabrication par thermocompression de pièces en matériau composite à fibres longues discontinues ou DLF (acronyme connu en terminologie anglo-saxonne sous le terme « Discontinuous Long Fibers ») est connue et nécessite, de manière générale, de chauffer le matériau et d’y appliquer une pression afin de consolider la matière. Des fibres longues sont généralement des fibres ayant une longueur qui va de 5 à 60 mm. Le terme DLF est utilisé pour désigner des ensembles composites formés d’une matrice et de fibres longues discontinues. De manière conventionnelle, le matériau, notamment à matrice thermodurcissable, est introduit dans un outillage qui a été préalablement chauffé, ceci afin de minimiser les cycles de fabrication. Une pré-cuisson peut par ailleurs être réalisée sur le matériau avant de l’insérer dans l’outillage afin de réduire au minimum la viscosité de la résine lors de la phase de mise en pression dans l’outillage et, ainsi, d’éviter d’expulser la résine hors de l’outillage durant cette phase. Lorsque les pièces en matériau composite à fabriquer sont de formes complexes et/ou présente de nombreux plis, la manipulation des préformes pour les disposer dans le moule de fabrication s’avère être une opération délicate, que cette opération soit effectuée manuellement ou robotisée. En particulier, le positionnement dans le moule des différents éléments constitutifs d’une préforme est une tâche longue et délicate puisqu’il faut positionner de manière précise les différents éléments les uns après les autres. Lorsque des premiers éléments de préforme sont mis en place dans le moule et que d’autres éléments de préforme sont en cours de positionnement, la résine commence déjà à polymériser sur les premiers éléments mis en place. Ce phénomène peut impacter le bon déroulement du procédé de fabrication par thermocompression dans la mesure où, pour fabriquer une pièce de bonne qualité, le niveau d’avancement (degré de polymérisation)/viscosité de la résine lors de l’application de la pression doit être contrôlé de manière précise. En particulier, la fabrication de pièces de formes complexes et/ou qui comportent de nombreux plis occasionnera un gradient d’avancement/viscosité de la résine au cours de la fabrication dans le moule. Au vu de ce qui précède il serait donc intéressant de concevoir un procédé permettant de remédier au moins en partie aux inconvénients exposés ci-dessus lors de la fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues. A cet effet, le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues, comprenant les étapes suivantes : assemblage de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable dans un moule à température comprise entre 0°C et 60°C pour former une préforme complexe ; fermeture du moule ; application d’un cycle de chauffe au moule afin de réduire la viscosité du polymère thermodurcissable, la différence maximale de température entre deux points quelconques du moule étant inférieure ou égale à 15°C ; application d’une pression dans le moule lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est comprise entre 10 et 1000 Pa.s. Un tel procédé permet de réaliser par thermocompression des pièces de formes complexes qui sont difficiles à démouler, sans qu’il n’y ait de gradient thermique dans la préforme de ces pièces lors de la mise en moule. En particulier, la fabrication débute avec une préforme complexe (la forme de la préforme est complexe au sens où il s’agit d’une préforme que l’on ne peut pas insérer dans un outillage déjà chaud en un nombre restreint d’opérations ou bien en un temps limité ; il ne s’agit généralement pas d’une forme géométrique simple en trois dimensions telles qu’une sphère, un cube, un parallélépipède…) dans un moule froid. On notera qu’une préforme complexe peut par exemple être composée de plusieurs parties indépendantes ou bien une préforme dont la forme vis-à-vis du moule empêcherait son insertion d’un seul bloc. La fabrication se poursuit par une montée en température du moule afin de réduire la viscosité du polymère thermodurcissable, permettant ainsi de piloter la mise en pression de la matière dans le moule en fonction du profil rhéo-cinétique. En d’autres termes, l’application d’une pression est réalisée à partir d’une valeur de viscosité prédéterminée, ce qui conduit à un fluage maîtrisé de la matière dans le moule, permettant ainsi d’obtenir des propriétés de matériau homogènes dans l’épaisseur de la matière et par zone et qui sont stables. L’avantage des fibres discontinues est leur capacité à fluer dans l’outillage. Une préforme précise n’est donc pas nécessaire. Cependant, le fluage peut être maîtrisé en appliquant la pression à la matière lorsque cette dernière possède le bon niveau de viscosité afin de ne pas cisailler la matière ou séparer les fibres de la résine (polymère thermodurcissable). On notera qu’il est possible d’avoir des éléments de préforme assemblés à l’extérieur de l’outillage et introduits ensuite dans l’outillage pour former la préforme. Selon d’autres caractéristiques possibles, prises isolément ou en combinaison : - la pression est appliquée lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est inférieure ou égale à 500 Pa.s, préférentiellement inférieure ou égale à 100 Pa.s ; -le procédé comprend une étape de pré-polymérisation du polymère thermodurcissable afin d’augmenter la viscosité minimale du polymère thermodurcissable ; -les nappes de fibres longues discontinues comprennent des fibres d’une longueur supérieure ou égale à 10mm ; -les nappes de fibres longues discontinues sont des fibres de carbone, de verre ou d’aramide ; -le polymère thermodurcissable est choisi parmi une résine époxy, polyuréthane, polyester, phénolique, BMI (polybismaléimide) ; -la température maximale du cycle de chauffe est supérieure ou égale à 150°C, de préférence supérieure ou égale à 180°C ; -la pression appliquée s’étend de 20 à 200bars ; -la préforme complexe comprend un assemblage dans le moule de plusieurs éléments qui résultent chacun de l’assemblage préalable hors du moule de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées. La est une vue générale en perspective d’un exemple de pièce de forme complexe qui peut être réalisée par un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention ; La est une vue générale schématique d’une installation de fabrication d’une pièce en matériau composite de forme complexe selon un mode de réalisation de l’invention ; La est une vue générale schématique analogue à celle de la et montrant un moyen différent d’application de pression différenciée; La est une vue générale schématique analogue à celle de la et montrant un autre moyen différent d’application de pression différenciée; La est un logigramme représentant les étapes d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite de forme complexe selon un mode de réalisation de l’invention ; La est un graphe illustrant l’évolution avec la température de la viscosité d’une résine époxy avec et sans pré-cuisson. Description détaillée L’invention trouve une application particulièrement intéressante dans la fabrication par thermocompression de pièces en matériau composite de formes complexes à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues. De telles pièces peuvent s’appliquer dans de nombreux secteurs industriels tels que l’aéronautique, l’automobile, le ferroviaire… Plus particulièrement, les pièces susceptibles d’être fabriquées peuvent être appliquées à des moteurs d’aéronef, des trains d’atterrissage ou des nacelles et il peut, par exemple, s’agir de redresseurs de flux, de capotages, de grilles d’inverseur de poussée, de panneaux acoustiques, de panneaux structuraux… La est une vue générale schématique en perspective de dessus d’une grille 10 d’inverseur de poussée d’un réacteur d’aéronef susceptible d’être fabriquée par un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention qui va être décrit ci-après. La grille G comprend, de manière générale, une pluralité de longerons L parallèles, espacés les uns des autres et reliés entre eux par des aubes ou ailettes A qui s’étendent chacune transversalement entre deux longerons consécutifs. Les ailettes sont espacées longitudinalement les unes des autres entre deux longerons consécutifs de manière à ménager, dans l’espace formé entre les longerons et les ailettes, des cavités à travers lesquelles un flux d’air d’inversion de poussée peut s’écouler lors de la mise en opération de la grille. La grille comporte deux brides amont B1 et aval B2 respectivement agencées à ses deux extrémités longitudinales opposées et servent à monter la grille sur la nacelle du réacteur. Comme représenté à la et désigné par la référence générale notée 10, une installation de fabrication de pièces en matériau composite de formes complexes selon un mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrite. Pour des raisons de simplicité, la pièce qui va être fabriquée dans l’installation selon le procédé précité a une forme complexe mais qui est toutefois plus simple que celle de la grille G de la . Une forme de préforme est complexe au sens où il s’agit d’une préforme que l’on ne peut pas insérer dans un outillage déjà chaud en un nombre restreint d’opérations ou bien en un temps limité comme déjà mentionné plus haut. De manière générale, il s’agit d’une forme qui, par définition n’est pas une forme géométrique simple telle qu’une sphère, un cube, un parallélépipède, etc. Au contraire, une forme complexe est une forme dont une projection dans au moins un plan comporte par exemple au moins une concavité ou portion rentrante (angle rentrant) dans la surface formée par son contour. La pièce peut d’ailleurs avoir une telle projection dans plusieurs plans. On notera que les descriptions de l’installation et du procédé qui vont suivre s’appliquent bien évidemment à toute pièce de forme complexe. L’installation 10 comprend un moule comportant deux parties, à savoir un outillage ou coiffe supérieur 12 et un outillage ou coiffe inférieur 14 (pour un outillage servant à réaliser une grille comme celle de la , l’outillage comporte en outre deux parties mobiles dans le plan de la grille). Chacun des outillages comprend une surface interne qui est conformée de manière adaptée pour que, lorsque les deux outillages sont amenés l’un contre l’autre comme sur la et que le moule est ainsi fermé, les deux surfaces internes en regard des deux parties d’outillage qui présentent chacune un relief forment, conjointement, le contour ou l’enveloppe d’une cavité fermée 15 interne au moule et qui va loger la pièce à fabriquer. Le contour de la cavité définit le contour externe de la future pièce. Dans l’exemple illustré sur la , la pièce présente une section suivant une vue dans un plan X, Z qui a une allure générale d’un T couché dont la barre 16 est disposée sensiblement verticalement (suivant l’axe Z) et la jambe 18 est disposée sensiblement horizontalement. On notera que la jambe 18 n’est toutefois pas rectiligne et est légèrement incurvée avec son extrémité libre 18a relevée vers le haut (en direction de l’outillage 12) et une partie centrale 18b dirigée vers le bas (en direction de l’outillage 14). La pièce s’étend également suivant une troisième direction Y perpendiculaire au plan de la en conservant, par exemple, la forme générale de la section illustrée sur la . Toutefois, l’allure de la pièce suivant la direction Y peut adopter également une forme complexe. Les deux parties de moule (outillages supérieur et inférieur) sont disposées ici suivant un axe vertical Z, l’un au-dessus de l’autre. Toutefois, d’autres agencements dans l’espace peuvent être envisagés et, par exemple, un agencement dans lequel les deux parties de moule sont agencées suivant un axe horizontal (la disposition de la est tournée de 90°). L’installation 10 comporte également deux éléments chauffants 20 et 22 qui se présentent sous la forme de plateaux chauffants, l’un supérieur 20 disposé au-dessus de l’outillage supérieur 12 et en contact avec ce dernier afin d’optimiser le transfert thermique entre ces deux éléments, et l’autre inférieur 22, disposé en-dessous de l’outillage inférieur 14 et en contact avec ce dernier pour les mêmes raisons. Les dimensions suivant l’axe longitudinal X des plateaux chauffants sont ici supérieures aux dimensions des outillages car les plateaux chauffants sont généralement ceux de la presse utilisée pour la mise en compression. Un dispositif de mise en compression suivant l’axe Z qui est classiquement utilisé dans ce type d’installation fait partie de l’installation 10 (presse mentionnée ci-dessus et dont font partie les plateaux chauffants) et est utilisé pour appliquer, au moment approprié, une pression axiale à la matière présente dans la cavité 15. D’autres dispositifs de mise en compression suivant d’autres axes peuvent également être utilisés. Les figures 2B et 2C illustrent respectivement des moyens différents d’application de pression différenciée : sur la les axes suivant lesquels sont appliquées les pressions sont différents (ici perpendiculaires entre eux) alors que sur la les axes de compression sont parallèles. Le procédé de fabrication de la pièce selon un mode de réalisation de l’invention est représenté à la sous la forme d’un logigramme et débute par une première étape S1 d’ouverture du moule. En pratique, l’un des outillages, notamment l’outillage supérieur 12, est écarté de l’outillage inférieur 14 suivant l’axe Z pour permettre l’accès au fond de la cavité qui est aménagé ici dans l’outillage inférieur 14. Lors de cette étape le moule est « froid » au sens où il est seulement à une température inférieure à la température autorisée pour une manipulation manuelle et qui n’entraine pas d’évolution rapide de la résine (polymérisation). Dans le cas présent, il est par exemple chauffé et la température du moule est, par exemple, limitée à 60°C. Au cours de l’étape suivante S2, des fibres longues discontinues, par exemple en carbone (alternativement en verre ou en aramide), imprégnées d’un polymère thermodurcissable tel qu’une résine thermodurcissable, par exemple une résine époxy, sont positionnées à l’intérieur de la cavité 15 du moule de manière à garnir le fond de la cavité en épousant les parois (surfaces internes des outillages) de celle-ci qui forment son contour. Lors de cette étape on réalise en pratique un assemblage dans le moule, suivant une ou plusieurs couches, de nappes de ces fibres longues discontinues imprégnées pour former une préforme complexe. Ces nappes sont par exemple obtenues par découpage à partir d’un rouleau de fibres longues discontinues imprégnées. Compte tenu de la température du moule (0-60°C), le polymère thermodurcissable des premières nappes mises en place dans le moule n’est pas susceptible de commencer à se polymériser lors de cette étape alors que toutes les nappes n’ont pas encore été assemblées. On notera que les matières en nappe présentent une certaine tenue mécanique. Il est donc possible de disposer les blocs d’outillage autour de la préforme, notamment au-dessus. L’ensemble est introduit sous un plateau presse qui vient positionner l’ensemble. On peut également avoir une préforme simplifiée sur l’une des faces (la face supérieure) et compter sur le fluage de la matière pour venir conformer les formes sur la partie supérieure Alternativement, des éléments ou parties de la préforme peuvent être conformées ou assemblés hors du moule (chaque élément ou partie est préalablement formé par l’assemblage hors du moule de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable) et y être introduits après afin de consolider/assembler entre eux ces éléments ou parties et ainsi constituer la préforme souhaitée. Lorsque cette étape est achevée l’outillage supérieur 12 peut venir en contact avec l’outillage inférieur 14 (en descendant suivant une commande de descente appropriée) suivant un plan de joint prédéfini afin de fermer le moule (étape S3). Sur la figure 2 le moule est en position fermée. Au cours de l’étape suivante S4, un cycle de chauffe est appliqué au moule par l’intermédiaire des plateaux chauffants 20, 22 afin de réduire la viscosité du polymère thermodurcissable à une valeur souhaitée. Un profil prédéterminé de montée en température (rampe de montée en température en °C par minute) pouvant inclure un ou plusieurs paliers est appliqué pour chauffer les outillages 12, 14 et la cavité interne 15 de manière adaptée. Le profil de température et les valeurs de température appliquées sont prédéterminés (connaissant la forme de la pièce à fabriquer, les profils de montée en température et les valeurs de température sont obtenues de manière empirique par des essais préalables effectués sur des pièces de formes différentes) et le profil de chauffe peut être arrêté ou modifié ; par exemple la température de chauffage peut être maintenue à une valeur de palier. Alternativement, il est possible d’introduire dans le processus de chauffe une consigne de température supérieure à la température attendue, par exemple une consigne de 200°C pour 180°C pour un exemple de résine illustré sur la et la consigne est remise à la valeur de 180°C lorsque le ou les thermocouples utilisés dans l’installation approchent de cette valeur. Alternativement, un moule autochauffant peut être utilisé à la place des plateaux chauffants. Un tel moule peut utiliser un fluide caloporteur, une technologie à induction (par exemple de la société Roctool), une technologie à air pulsé (par exemple de type PTFS de la société Surface Generation). Lorsque la température de la résine qui se trouve dans la cavité 15 atteint la température souhaitée, la résine est ramollie mais reste toutefois suffisamment visqueuse pour être soumise à une pression externe et fluer de manière contrôlée à l’intérieur de la cavité sans risquer d’être chassée hors de la cavité sous l’effet de cette pression. À titre d’exemple la viscosité de la résine est comprise entre 10 et 1000 Pa.s pour pouvoir être soumise de manière contrôlée à une pression externe. De préférence, la viscosité de la résine est inférieure à 500 Pa.s, voire inférieure à 100 Pa.s. Le cycle de chauffe mis en œuvre est tel que la différence maximale de température entre deux points quelconques du moule est inférieure ou égale à 15°C. Ceci permet d’appliquer la pression sur une résine dans un état avancement / viscosité maitrisé et donc similaire dans chaque zone dans laquelle la pression est appliquée. Si cette valeur est dépassée, il serait possible d’obtenir des points avec une résine visqueuse. Au cours de l’étape suivante S5, une pression est appliquée à la matière présente dans le moule, par l’intermédiaire du dispositif de mise en pression précité lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est comprise entre 10 et 1000Pa.s. L’application de la pression est dépendante de la thermique de l’outillage via le profil rhéo-cinétique. La pression est appliquée pour des viscosités, de préférence, inférieures à 500 Pa.s, voire inférieures à 100Pa.s dans la descente ou la remontée du minimum de viscosité. Si la pression est appliquée avant d’atteindre le minimum de viscosité, il est préférable de réaliser une pré-cuisson (pré-polymérisation) afin d’augmenter la valeur du minimum de viscosité et de faire fluer la matière (fibres+résine) dans la cavité. Si la viscosité de la résine baisse trop après que l’on ait appliqué la pression, il existe un risque d’expulser la résine et ainsi d’avoir des zones trop riches en fibres. La représente deux courbes de viscosité d’une même résine époxy (ex : matériau HexMC® d’Hexcel avec une résine 8552), l’une C1 sans pré-cuisson de la résine et l’autre C2 avec une pré-cuisson pendant 10 mn à une température de 180°C (au maximum de 190°C). A titre d’exemple, un profil de montée en température de 10°C/mn est appliqué. La remontée de la valeur de la viscosité étant relativement rapide après le passage du minimum de viscosité, il est utile de diminuer la rampe en modifiant la température (par exemple grâce à un palier intermédiaire ou grâce au pilotage des plateaux chauffants). En pratique, le dispositif d’application d’une pression est piloté par les plateaux chauffants 20 et 22 de manière à ce que l’application d’une pression par le dispositif soit commandée lorsque que le profil de montée en température des plateaux chauffants atteint une valeur prédéterminée. Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres longues discontinues, comprenant les étapes suivantes : Assemblage (S2) de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable dans un moule à température comprise entre 0°C et 60°C pour former une préforme complexe ; fermeture du moule (S3) ; application d’un cycle de chauffe (S4) au moule afin de réduire la viscosité du polymère thermodurcissable, la différence maximale de température entre deux points quelconques du moule étant inférieure ou égale à 15°C ; application d’une pression (S5) dans le moule lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est comprise entre 10 et 1000 Pa.s. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pression est appliquée lorsque la viscosité du polymère thermodurcissable est inférieure ou égale à 500 Pa.s, préférentiellement inférieure ou égale à 100 Pa.s. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant une étape de pré-polymérisation du polymère thermodurcissable afin d’augmenter la viscosité minimale du polymère thermodurcissable. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les nappes de fibres longues discontinues comprennent des fibres d’une longueur supérieure ou égale à 10 mm. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les nappes de fibres longues discontinues sont des fibres de carbone, de verre ou d’aramide. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le polymère thermodurcissable est choisi parmi une résine époxy, polyuréthane, polyester, phénolique, BMI. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la température maximale du cycle de chauffe est supérieure ou égale à 150°C de préférence supérieure ou égale à 180°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pression appliquée s’étend de 20 à 200 bars. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la préforme complexe comprend un assemblage dans le moule de plusieurs éléments qui résultent chacun de l’assemblage préalable hors du moule de nappes de fibres longues discontinues imprégnées d’un polymère thermodurcissable.