Brevet FR3151521A1 — publié le 20250131

L’invention concerne un dispositif de chauffage (140) d’une résine pour une installation de fabrication d’une pièce composite, le dispositif de chauffage étant caractérisé en ce qu’il comprend : – un bloc (142) métallique comprenant une canalisation de transport (144) de la résine, la canalisation s’étendant selon une première direction (X), – un système (150) de chauffage par conduction configuré pour chauffer par conduction la canalisation de transport de la résine, et – un système (160) de chauffage diélectrique configuré pour chauffer la résine à l’intérieur de la canalisation de transport. Figure pour l'abrégé : Figure 3 DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D’UNE RESINE POUR UNE INSTALLATION DE FABRICATION D’UNE PIECE COMPOSITE Le domaine technique de l’invention est celui de la fabrication des pièces de turbomachine d’aéronef en matériau composite, en particulier par moulage par injection de résine d'une pièce en matériau composite. La présente invention concerne un dispositif de chauffage de résine et une installation de fabrication de pièces composites équipée d’un tel dispositif de chauffage. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, au moyen d’une telle installation. L’utilisation de matériaux composites est avantageuse dans l’industrie aéronautique notamment car ces matériaux ont des performances mécaniques intéressantes pour des masses relativement faibles. Un procédé de fabrication d’une pièce composite pour l’industrie aéronautique à partir de fibres imprégnées de résine, qui est bien connu de l’homme du métier, est le procédé de moulage RTM selon l’acronyme anglo-saxon de « Resin Transfer Molding ». Un tel procédé est par exemple utilisé pour fabriquer des aubes de soufflante ou des carters et comporte plusieurs étapes successives. Tout d’abord, une ébauche de préforme en trois dimensions est réalisée par tissage de fibres. Puis cette ébauche est généralement découpée pour obtenir une préforme présentant sensiblement la forme de la pièce à obtenir, par exemple une aube. Cette préforme est alors disposée dans un moule qui est refermé. Ensuite, de la résine est injectée à l'état liquide dans le moule en maintenant une pression sur la résine injectée pendant que l’on effectue la polymérisation de la pièce par chauffage. Les résines utilisées sont des résines très fluides qui sont à même de bien pénétrer les fibres de la préforme, même lorsqu'elles sont injectées sous une pression réduite. Pendant la polymérisation, sous l'effet de la chaleur, la résine injectée passe successivement de l'état liquide à l'état gélifié et enfin à l'état solide. L'alimentation continue en résine du moule sous pression est une exigence primordiale qui a pour but de garantir des pièces de qualité, sans défaut et sans porosité. En effet, la résine tendant à dégazer pendant la polymérisation, il est nécessaire de maintenir la pression de la résine jusqu'à la polymérisation complète de la pièce afin d'éviter que des relâchements de gaz ne viennent compromettre l'intégrité de la résine. La illustre une installation 10 de fabrication d’une pièce en matériau composite selon l’état de la technique. Une telle installation comporte en général un moyen de distribution et de mise en pression de la résine, tel qu’un piston 12 configuré pour distribuer et mettre en pression la résine. Une sortie 12b du piston 12 est reliée à une entrée 14a d’un moule 14. Le chauffage de la résine avant son injection dans le moule 14 est également très important. Il est en effet important que l’un des composants de la résine, un durcisseur, se soit complètement dissout dans la résine avant son contact avec la préforme car ce composant risquerait d’être filtré dans la préforme, et les propriétés mécaniques de la résine lors de la cuisson ne seraient pas respectées. Dans la technique actuelle, la résine est chauffée jusqu’à au moins 150°C (voire au moins 154°C). Cela correspond à des résines comportant du « CAF » comme durcisseur (9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène). Le chauffage de la résine est généralement réalisé au moyen d’un dispositif de chauffage 16 par conduction dont une entrée 16a est reliée à la sortie 12b, et une sortie 16b est reliée à l’entrée 14a du moule 14. Ce dispositif de chauffage 16 comporte un empilement de plaques 16c. Les plaques 16c définissent des chemins de circulation de la résine en forme de serpentin. Les plaques ainsi que la résine sont chauffées par conduction de la chaleur avec un chauffage électrique par exemple par cartouches chauffantes. Les flèches de la montrent le cheminement de la résine lors du remplissage du moule. A la fin du procédé de fabrication d’une pièce, la résine restant dans le piston 12, le dispositif de chauffage 16, est perdue car elle a complètement polymérisé et n’est pas réutilisable. De plus, pour que la résine soit chauffée dans le dispositif 16 à la température souhaitée avant son injection dans le moule 14, il faut une longueur cumulée importante (plusieurs mètres) de chemins de circulation de la résine. Il est alors nécessaire dans la technique actuelle d’utiliser un empilement d’un nombre important de plaques 16c. Cependant, plus cette longueur est importante et plus la quantité de résine perdue à la fin du procédé de fabrication est importante. La résine étant une matière première relativement coûteuse, cette quantité de résine perdue représente une perte financière importante. Il existe donc un besoin d’une solution permettant de réduire de manière significative la quantité de résine perdue à chaque procédé de fabrication. De plus, un tel mode de chauffage par conduction de chaleur au moyen d’un chauffage électrique par cartouches chauffantes présente l’inconvénient d’avoir un mauvais rendement pour des débits importants supérieurs à 500 cc/min. Ainsi, une augmentation du débit de la résine ne permet plus d’atteindre la température minimale pour dissoudre le durcisseur contenu dans la résine. Cette limitation contraint l’optimisation du procédé de fabrication en particulier les temps d’injection car le débit d’injection ne peut être augmenté. L’objectif de la présente invention est de pallier au moins certains des inconvénients précités en proposant un dispositif de chauffage permettant le chauffage rapide de la résine afin de permettre l’injection de la résine à des débits importants. À cet effet, l’invention concerne un dispositif de chauffage d’une résine pour une installation de fabrication d’une pièce composite, le dispositif de chauffage étant caractérisé en ce qu’il comprend : – un bloc métallique comprenant une canalisation de transport de la résine, la canalisation s’étendant selon une première direction, – un système de chauffage par conduction configuré pour chauffer par conduction la canalisation de transport de la résine, et – un système de chauffage diélectrique configuré pour chauffer la résine à l’intérieur de la canalisation de transport. L’invention offre ainsi une solution aux problèmes évoqués précédemment en proposant un dispositif de chauffage hybride permettant de réchauffer plus rapidement une résine dont la caractéristique est une conductivité thermique faible, notamment pour un procédé de fabrication par moulage RTM. Ce dispositif de chauffage hybride combine un système de chauffage par conduction pour permettre de chauffer la résine en surface, c’est-à-dire à l’interface de la canalisation, et un chauffage diélectrique pour permettre le chauffage à cœur de la résine. Le couplage de ces deux modes de chauffage permet de diffuser la température dans l’épaisseur de la résine afin de minimiser la longueur utile de la canalisation de transport de la résine dans le dispositif de chauffage et ainsi le volume de résine nécessaire pour atteindre la température nécessaire pour le procédé de fabrication d’une pièce composite. Un tel dispositif de chauffage permet avantageusement de chauffer la résine de manière homogène et ce, même à des débits importants tout en minimisant le volume de résine et la pression nécessaire pour le passage de la résine dans le dispositif de chauffage. Le dispositif de chauffage selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres selon toute combinaison techniquement possible : - le système de chauffage par conduction comporte au moins une paire de résistances arrangées dans le bloc métallique à proximité de la canalisation de transport de la résine et une source de courant électrique alimentant la au moins une paire de résistances ; - la ou chaque résistance s’étend dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction ; - le système de chauffage diélectrique comporte au moins une paire d’éléments diélectriques arrangés dans le bloc métallique à proximité de la canalisation de transport de la résine et une source de courant alternatif alimentant les éléments électriques de la au moins une paire d’éléments diélectriques ; - de préférence, la source de courant alternatif est une source de courant alternatif de hautes fréquences ; - les éléments diélectriques de la au moins une paire d’éléments diélectriques sont plus proches de la canalisation de transport de la résine que les résistances de la au moins une paire de résistances du système de chauffage par conduction ; - la source de courant alternatif est configurée pour générer un courant alternatif présentant une fréquence comprise entre 100 MHz et 300 GHz ; - la source de courant alternatif est configurée pour générer un courant alternatif présentant une tension comprise entre 10 et 20 kV ; - la résine est transportée dans la canalisation de transport avec un débit compris entre 100 et 2000 cc/min et de préférence supérieur ou égal à 500 cc/min ; - le dispositif de chauffage est configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 150°C, de préférence égale à 165°C. L’invention concerne également une installation de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, l’installation comportant au moins : – un piston de stockage et de distribution d’une résine polymérisable comprenant une sortie de résine, – un dispositif de chauffage de la résine selon l’invention et tel que décrit précédemment, ce dispositif de chauffage comportant une sortie de résine et une entrée de résine reliée à la sortie de résine du piston, et – un moule de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de la résine pour l’imprégnation de cette préforme, ce moule comportant une entrée de résine reliée à la sortie de résine du dispositif de chauffage. De préférence, la résine contenue dans le piston comprend un durcisseur comprenant au moins du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, au moyen d’une installation selon l’invention et telle que décrite précédemment, le procédé de fabrication comprenant au moins une étape de chauffage par conduction de la résine et une étape de chauffage de la résine par chauffage diélectrique, les étapes de chauffage diélectrique et de chauffage par induction sont simultanées et mises en œuvre avant une injection de la résine dans le moule. La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la , déjà décrite, est une vue schématique d’une installation de fabrication par moulage d’une pièce en matériau composite selon l’état de la technique ; - la est une vue schématique tridimensionnelle en coupe partielle d’un dispositif de chauffage selon l’invention ; - la est une vue en coupe du dispositif de chauffage selon l’invention ; et - la est une vue schématique d’une installation selon l’invention de fabrication par moulage d’une pièce en matériau composite équipée du dispositif de chauffage de la . Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures. La illustre schématiquement une vue tridimensionnelle et partiellement en coupe d’un dispositif de chauffage 140 d’une résine pour une installation de fabrication par moulage de pièces en matériau composite. Une telle installation sera décrite par la suite. Le dispositif de chauffage 140 selon l’invention comporte : – un bloc 142 métallique comprenant une canalisation de transport 144 de la résine, – un système 150 de chauffage par conduction de la résine, et – un système 160 de chauffage diélectrique de la résine. Les matériaux du bloc 142 métallique doivent permettre d’avoir une bonne résistance mécanique et une bonne conductivité thermique. Le bloc 142 métallique est par exemple un alliage du type Toolox® 33 / 23CrMnNiMo4. Le bloc 142 est de forme parallélépipédique et symétrique par rapport à deux plans perpendiculaires entre eux. Un premier plan P1 s’étend selon une première direction X et une deuxième direction Y, le deuxième plan P2 s’étendant selon la première direction X et une troisième direction Z. Les directions X, Y et Z sont perpendiculaires entre elles. Sur la , seule une moitié de ce bloc est illustrée partiellement. En particulier, seule la moitié dite « inférieure » est représentée, cette moitié est une portion du bloc 142 symétrique selon le plan P2. En outre, une vue de section dans un plan P3 perpendiculaire à la première direction X est représentée. La illustre une vue en coupe dans le plan P1 du bloc 142 du dispositif de chauffage 140. La canalisation de transport 144 est cylindrique et présente un axe principal C s’étendant selon la première direction X. Dans l’exemple illustré, la canalisation a une section transversale (dans un plan perpendiculaire à la première direction) rectangulaire. Toutefois, cette section transversale peut être circulaire ou carré ou de forme quelconque. Le système 150 de chauffage par conduction de la résine est configuré pour chauffer par conduction la canalisation de transport 144 de la résine. A cet effet, le système de chauffage par conduction 150 comporte au moins une paire de résistances 152 arrangées dans le bloc métallique 142 à proximité de la canalisation de transport 144 de la résine et une source électrique 154 alimentant la paire ou les paires de résistances. Les deux résistances de chaque paire sont arrangées de façon symétrique l’une de l’autre par rapport à l’axe principal C de la canalisation et donc par rapport au plan P2 afin d’assurer l’uniformité du champ thermique. Les résistances 152 sont agencées à une distance la plus faible possible de la canalisation de transport 144 de la résine afin de diffuser la chaleur dans la résine. L’ordre de grandeur de cette distance est de quelques centimètres, par exemple comprise entre 5 cm et 50 cm en fonction de la puissance des résistances afin d’avoir un champ de température uniforme au niveau de la surface en contact avec la résine. Lorsqu’il y a plus d’une paire de résistances, toutes les résistances 152 sont de préférence agencées à une même distance de la canalisation de transport 144 selon la deuxième direction Y. Dans l’exemple illustré sur les figures 2 et 3, la ou chaque résistance 152 s’étend selon la troisième direction Z. De préférence, les résistances et/ou paires de résistances sont espacées régulièrement l’une de l’autre selon la première direction X. Chaque résistance 152 est connectée électriquement à la source électrique 154 configurée pour les alimenter. La source électrique 154 est une source à courant alternatif ou courant continu. Les résistances 152 sont des résistances thermique du type cartouche chauffante. Lorsque les résistances sont alimentées par la source 154 de courant électrique, de la chaleur se dissipe par effet Joule et se propage jusqu’à la canalisation de transport 144. En fonctionnement, la résine se trouvant à l’intérieur de la canalisation est chauffée au moins périphériquement, c’est-à-dire la portion de la résine en contact avec la canalisation de transport, plus précisément avec une surface interne de la canalisation de transport. Typiquement, la chaleur se propage sur une distance de l’ordre de quelques millimètres. L’intensité du courant électrique générée par la source 154 permet d’ajuster la température de la résine en sortie du dispositif de chauffage. Le système 160 de chauffage diélectrique de la résine est configuré pour chauffer la résine à l’intérieur de la canalisation de transport. En effet, contrairement au système de chauffage par conduction, le système 160 de chauffage diélectrique est configuré pour chauffer « le cœur » de la résine, c’est-à-dire une portion de la résine contenue dans la canalisation de transport située plus proche de l’axe principal de la canalisation 144 que la portion périphérique située à proximité de la surface interne de la canalisation de transport. A cet effet, le système 160 de chauffage diélectrique comporte au moins une paire d’éléments diélectriques 162 arrangés dans le bloc métallique à proximité de la canalisation de transport de la résine et une source 164 de courant alternatif de hautes fréquences alimentant la paire ou les paires d’éléments diélectriques. Les deux éléments diélectriques de chaque paire sont arrangés de façon symétrique l’un de l’autre par rapport à l’axe principal C de la canalisation et donc par rapport au plan P2 afin d’assurer l’uniformité du champ thermique. Les éléments diélectriques 162 sont positionnés au plus proche de la canalisation de transport 144 de la résine afin de diffuser la chaleur dans la résine. Cette distance est comprise entre 0 et quelques millimètres de la résine. Ainsi, les éléments diélectriques peuvent être au contact de la résine ou à quelques millimètres de la surface en contact avec la résine r exemple comprise entre 5 cm et 50 cm en fonction de la puissance des résistances afin d’avoir un champ de température uniforme au niveau de la surface en contact avec la résine. De préférence, les éléments diélectriques 162 ou paires d’éléments diélectriques sont espacés régulièrement l’un de l’autre selon la première direction X. Chaque élément diélectrique 162 est connecté électriquement à la source 164 de courant alternatif de hautes fréquences configurée pour les alimenter. La permittivité de la résine est comprise entre 3 et 6 en fonction de la température. Les deux éléments diélectriques d’une même paire forment deux électrodes conformées pour être parcourues par un courant alternatif de sorte à exciter la polarisation des molécules contenues dans la résine. La source 164 de courant alternatif est configurée pour générer un courant alternatif présentant de hautes fréquences comprises entre 100 MHz et 300 GHz et une tension comprise entre 10 et 20 kV afin de solliciter thermiquement la résine. La fréquence et la tension permettent d’ajuster la température de la résine en sortie du dispositif de chauffage. La dissipation thermique est directement proportionnelle au carré de la tension de sollicitation des diélectriques et de la fréquence. Avantageusement, les éléments diélectriques 162 sont plus proches de la canalisation 144 de transport de la résine que les résistances 152 du système 150 de chauffage par conduction. Le dispositif de chauffage est adapté pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 150°C, et de préférence égale à 165°C. En outre, le dispositif de chauffage est adapté pour chauffer une résine circulant dans la canalisation de transport avec un débit compris entre 100 et 2000 cc/min et de préférence supérieur ou égal à 500 cc/min. Un tel dispositif de chauffage 140 selon l’invention permet de coupler un mode de chauffage par conduction particulièrement adapté pour chauffer la résine proche de la surface interne de la canalisation de transport et un mode de chauffage diélectrique particulièrement adapté pour chauffer la résine au centre de la canalisation de transport. Le couplage de ces deux modes permet de diffuser la température dans l’épaisseur de la résine, celle-ci est alors chauffée de façon homogène, permettant avantageusement de minimiser la longueur utile du dispositif de chauffage, et en particulier de la canalisation de transport, et ainsi le volume de résine nécessaire pour atteindre la température nécessaire à un procédé de fabrication par moulage par injection de résine. On se réfère à la qui illustre un exemple d’installation 200 de fabrication d’une pièce en matériau composite selon l’invention, en particulier une pièce pour un moteur d’aéronef. L'installation 200 comporte au moins un piston de stockage et de distribution d’une résine 212, un dispositif de chauffage 140 et un moule 214. Le piston de stockage et de distribution d’une résine 212 comporte une sortie 212b en communication fluidique avec une entrée 140a du dispositif de chauffage 140, et le dispositif de chauffage140 comprend une sortie 140b en communication fluidique avec une entrée 214a du moule 214, de préférence via une vanne d'alimentation en résine 222. Le moule 214 comprend en outre une vanne de purge 224 ou vanne de sortie. Avantageusement, l'installation peut en outre comprendre un capteur de pression (non représenté) pour mesurer la pression de la résine dans le moule 214. Le piston 212, le dispositif de chauffage 140 et le moule 214 sont reliés fluidiquement respectivement par l'intermédiaire de canalisations 230 et 240 dans lesquels la résine peut circuler. L’installation 200 peut comprendre d’autres éléments, représentés ou non dans les dessins. Le moule 214 peut par exemple comprendre un évent pour réaliser un vide partiel dans la cavité du moule 214 et ainsi faciliter l’injection de la résine dans le moule. L’installation peut comporter une conduite de dérivation s’étendant entre les entrée et sortie de résine du dispositif de chauffage permettant une transmission de pression provenant du piston 10. Les différents éléments de l’installation peuvent être reliés à des moyens de contrôle et de commande à distance, tels que des moyens informatisés par exemple. Par exemple, le piston 212 peut être commandé pour tenir une pression et/ou un débit prédéterminé dans le circuit fluidique de l’installation. Le piston 212 a pour fonction de stocker la résine polymérisable de la mettre en pression pour la faire circuler dans l'installation 200. De préférence, la résine contenue dans le piston comprend un durcisseur comprenant au moins 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène connu sous le nom de CAF. Dans l’exemple illustré sur la , le moule 214 comprend deux parties 214c et 214d formant moule et contre-moule définissant une cavité fermée dans laquelle une préforme fibreuse 250 est introduite afin de former une matrice. Dans l'exemple illustré ici, la préforme fibreuse 250 est une préforme fibreuse d'aube de soufflante de turbomachine aéronautique. Toutefois, l’installation est adaptée pour fabriquer toute pièce en matériau composite notamment pour un moteur d’aéronef telles que des carters. Le moule 214 comprend généralement des moyens pour réguler la température de la cavité, par exemple par circulation d'un liquide réchauffé dans des canaux à l'intérieur des parties 214c et 214d du moule. Le moule peut également être équipé d’un capteur de pression pour mesurer et contrôler la pression de la résine à l'intérieur du moule 214, afin de permettre une régulation de cette dernière par le piston 212. Une telle installation est particulièrement adaptée pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention, de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef. Un tel procédé comporte notamment une étape de chauffage par conduction de la résine et une étape de chauffage de la résine par chauffage diélectrique. Les étapes de chauffage diélectrique et de chauffage par induction sont simultanées et mises en œuvre avant une injection de la résine dans le moule. La résine est chauffée à une température supérieure ou égale à 150°C, et de préférence égale à 165°C. De plus, la résine circule dans les différents éléments constituants l’installation avec un débit compris entre 100 et 2000 cc/min et de préférence supérieur ou égal à 500 cc/min. Dispositif de chauffage (140) d’une résine pour une installation de fabrication d’une pièce composite, le dispositif de chauffage étant caractérisé en ce qu’il comprend : – un bloc (142) métallique comprenant une canalisation de transport (144) de la résine, la canalisation s’étendant selon une première direction (X), – un système (150) de chauffage par conduction configuré pour chauffer par conduction la canalisation de transport de la résine, et – un système (160) de chauffage diélectrique configuré pour chauffer la résine à l’intérieur de la canalisation de transport. Dispositif de chauffage (140) selon la revendication 1, dans lequel le système (150) de chauffage par conduction comporte au moins une paire de résistances (152) arrangées dans le bloc métallique à proximité de la canalisation de transport de la résine et une source (154) de courant électrique alimentant la au moins une paire de résistances. Dispositif de chauffage (140) selon la revendication 2, dans lequel la ou chaque résistance (152) s’étend dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction. Dispositif de chauffage (140) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le système (160) de chauffage diélectrique comporte au moins une paire d’éléments diélectriques (162) arrangés dans le bloc métallique à proximité de la canalisation de transport de la résine et une source (164) de courant alternatif alimentant les éléments électriques de la au moins une paire d’éléments diélectriques. Dispositif de chauffage (140) selon la revendication 4 en combinaison avec l’une des revendications 2 et 3, dans lequel les éléments diélectriques (162) de la au moins une paire d’éléments diélectriques sont plus proches de la canalisation de transport de la résine que les résistances (152) de la au moins une paire de résistances du système de chauffage par conduction. Dispositif de chauffage (140) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la résine est transportée dans la canalisation de transport avec un débit compris entre 100 et 2000 cc/min et de préférence supérieur ou égal à 500 cc/min. Dispositif de chauffage (140) selon l’une des revendications précédentes, configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 150°C, de préférence égale à 165°C. Installation (200) de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, l’installation comportant au moins : – un piston (212) de stockage et de distribution d’une résine polymérisable comprenant une sortie de résine, – un dispositif de chauffage (140) de la résine selon l’une des revendications précédentes, ce dispositif de chauffage (140) comportant une sortie de résine et une entrée de résine reliée à la sortie de résine du piston, et – un moule de réception (214) d’une préforme fibreuse et d’injection de la résine pour l’imprégnation de cette préforme, ce moule comportant une entrée de résine reliée à la sortie de résine du dispositif de chauffage. Installation (200) selon la revendication précédente, dans laquelle la résine contenue dans le piston comprend un durcisseur comprenant au moins du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène. Procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, au moyen d’une installation (200) selon l’une des revendications 8 ou 9, le procédé de fabrication comprenant au moins une étape de chauffage par conduction de la résine et une étape de chauffage de la résine par chauffage diélectrique, les étapes de chauffage diélectrique et de chauffage par induction sont simultanées et mises en œuvre avant une injection de la résine dans le moule.