Brevet FR3158666A1 — publié le 20250801

Titre : Procédé de fabrication de pièces en matériau composite, et pièces obtenues par la mise en œuvre du procédé ; Procédé de fabrication de pièces en matériau composite susceptibles d’être sollicitées mécaniquement, pouvant présenter des variations de section droite et/ou des variations de courbure ou de torsion, et présentant une direction privilégiée. Il consiste à réaliser successivement les opérations suivantes : empiler au moins deux nappes unidirectionnelles (2, 3) de fibres contre croisées à + ou – N°, réaliser un boudin de forme globalement cylindrique par enroulement sur lui-même de l’ensemble des au moins deux nappes (2, 3) autour d’un axe d’enroulement (R), compresser le boudin par une action mécanique perpendiculaire à l’axe d’enroulement (R), afin de le déformer pour lui faire prendre la forme de la préforme servant à la polymérisation de la pièce à fabriquer. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de fabrication de pièces en matériau composite, et pièces obtenues par la mise en œuvre du procédé La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces en matériau composite susceptibles d’être sollicitées mécaniquement, pouvant présenter des variations de section droite et/ou des variations de courbure ou de torsion, et présentant une direction privilégiée. La présente invention a également pour objet des pièces mises en œuvre par ledit procédé. De telles pièces peuvent consister, non limitativement, et des poutres, des lames de ressort pour automobile, des bielles, des barres de treillis, des pales de propulseur aéronautique. De manière habituelle, ces pièces sont obtenues par drapage de couches de nappes unidirectionnelles dont l’orientations de fibres sont choisies dans les directions les plus favorables à la résistance aux sollicitations. La particularité de ces pièces réside dans la difficulté de réalisation du drapage compte tenu des formes évolutives et des fortes sollicitations mécaniques supportées par ces pièces. Il est bien connu que le mode de ruine limitant l’usage des composites pour de telles types de pièce est le délaminage des couches de fibres. Afin de lutter contre ces phénomènes, des solutions existent pour placer des fibres dans la direction orthogonale à la direction principale du fibrage, c’est-à-dire en traversant les différentes couches. On peut ainsi réaliser une préforme par tissage 3D, tels que cela est représenté schématiquement sur la FIG. 1 . On peut y voir une superposition de nappes unidirectionnelles, dont les fibres s’étendant en alternance dans des directions différentes, pour former des couches superposées C, tandis que des fibres F sont tissées pour réunir les différentes couches C. Cela présente essentiellement deux inconvénients, celui de n’être adapté qu’aux méthodes RTM (Resin transfer molding) ou d’infusion, et d’exclure l’utilisation de pré-imprégnés, ce qui conduit à un coût de réalisation des préformes très élevé. La présente invention a pour but de proposer un procédé alternatif pour la fabrication propose une solution pour la réalisation de ces pièces précitées, et remédiant aux inconvénients précités en permettant l’utilisation de semi-produits pré imprégnés industriellement disponibles, de matérialiser des liens fibreux hors plan, et la réalisation de formes longues évolutives, et pour un coût de mise en œuvre modeste. Il convient préalablement de rappeler quelques notions relatives à la réalisation de pièces composites de plus en plus complexe, tout en partant d’une pièce élémentaire. En pratique un empilement de couches d’unidirectionnel préimprégnées disposées alternativement à + ou – N° est compacté pour former une préforme compacte. Cette préforme possède une grande plasticité transversale pour peu que l’angle N soit faible (typiquement inférieur à 30 °). C’est-à-dire que sous l’effet de la compression de la préforme l’angle N peut augmenter de manière à autoriser l’élargissement de la préforme. Une telle propriété permet le conformage aisé dans un moule par expansion transversale d’une préforme ainsi constituée. La méthode traditionnellement utilisée pour une pièce supportant des sollicitations de traction ou compression (ou de flexion) consiste à faire un empilement de couches d’unidirectionnels à 0° (de l’ordre de 90 % à 80 %), et des couches de fibres à 90° (de l’ordre de 10 % à 20%) qui ont pour rôle de garantir la cohésion transversale de la pièce. Si ce mode de drapage garantit la bonne santé de la matière pour sa tenue transversale, elle bloque l’expansion de la préforme dans une opération de mise en forme par compression ayant pour but une adaptation latérale dans le moule. La présente invention a pour but de proposer un procédé permettant d’adapter la propriété de plasticité pour permettre de créer des liens dans le sens de l’épaisseur de la préforme, conjointement aux liens dans le sens longitudinal et transversale. Le procédé de fabrication de pièces en matériau composite susceptibles d’être sollicitées mécaniquement, pouvant présenter des variations de section droite et/ou des variations de courbure ou de torsion, et présentant une direction privilégiée, selon l’invention, se caractérise en ce qu’il consiste à réaliser successivement les opérations suivantes : empiler au moins deux nappes unidirectionnelles de fibres contre croisées à + ou – N°, réaliser un boudin de forme globalement cylindrique par enroulement sur lui-même de l’ensemble des deux nappes autour d’un axe d’enroulement, compresser ledit boudin par une action mécanique perpendiculaire à l’axe d’enroulement, afin de le déformer pour lui faire prendre la forme de la préforme servant à la polymérisation de la pièce à fabriquer. On notera que préférentiellement mais non limitativement, l’axe d’enroulement est parallèle à l’axe longitudinal 0° de référence d’orientation des fibres. L’inclinaison des fibres par rapport à la direction longitudinale, associée à l’enroulement puis à la compression permet à la préforme, puis à la pièce ainsi constituée de présenter des liens fibreux dans la direction transverse ainsi que dans la direction de l’épaisseur. Ces liens, qui lient les couches de composite dans leur épaisseur, permettent une cohésion renforcée repoussant les problèmes de délaminage entre les couches. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l’invention, la superposition de nappes est enroulée sur un mandrin qui après enlèvement permet d’obtenir un boudin tubulaire. Le boudin composite, tubulaire ou non, obtenu lors de la première étape du procédé selon l’invention peut être déformé par compression dans un moule garantissant une section constante le long du profil que l’on veut constituer. La plasticité du boudin composite permet son adaptation à de nombreuses formes tout en gardant des propriétés de cohésion dans les trois directions de l’espace. Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l’invention, on incorpore à la superposition de nappes, avant ou pendant l’opération d’enroulement, un ou plusieurs plis de fibres d’orientation autre que celles des fibres desdites nappes, en fonction de la pièce à réaliser. En fonction des caractéristiques dimensionnelles et/ou volumiques de la pièce à fabriquer, les nappes sont coupées, avant ou après superposition, à une forme adéquate à partir d’un patron, en sorte de conduire à la réalisation, après enroulement, d’un boudin présentant des portions de diamètres différents. Par ailleurs, la plasticité du boudin composite permet également de réaliser des pièces composites présentant un certain degré de courbure. Lors du cintrage du boudin composite, chaque fibre, qui suit un trajet hélicoïdal, est sollicitée en extension au niveau de la zone convexe, et en compression au niveau de la zone concave, cette compensation permet d’éviter un risque de plissement. Cependant, le degré de courbure, qui dépend également de la valeur d’angulation des fibres, est limité, et pour pallier cet inconvénient, le procédé selon l’invention comporte une variante. Ainsi, selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l’invention, avant l’opération d’empilement des nappes, chacune de ces dernières est soumise à une opération de découpes, qui consiste à pratiquer dans celles-ci des traits de coupe selon de lignes alternées discontinues, en sorte d’une part que chaque fibre soit coupée selon un pas, constant ou non, d’autre part que l’intégrité de la nappe soit conservée, et d’autre part encore que dans l’empilement les nappes les traits de coupe d’une nappe soient décalés par rapport à ceux de la nappe adjacente. Selon des modes de réalisation particuliers du procédé selon l’invention les nappes sont découpées de manière identique, et lors de l’empilement on décale une nappe par rapport à une autre, ou bien on procède à des découpes décalées et les nappes sont parfaitement superposées. De préférence, l’enroulement est réalisé autour d’axe perpendiculaire aux traits de coupe. Le boudin composite obtenu est majoritairement constitué de fibres orientées à + ou – N°, alternativement sectionnées favorisant l’extension locale par glissement des fibres s’écartant longitudinalement entre-elles. Un tel boudin peut supporter un cintrage plus important que celui permis sans découpe. Selon une variante, les découpes sont avantageusement localisées uniquement dans une ou plusieurs zones particulières des nappes, en fonction de la pièce à réaliser. Les avantages et les caractéristiques du procédé selon l’invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente des modes de mise en œuvre non limitatifs. Dans le dessin annexé : FIG. 1 représente une vue schématique en perspective illustrant un procédé de l’état de la technique, FIG. 2 , FIG. 2 et FIG. 2 représentent des vues schématiques en perspective de trois étapes A, B et C du procédé selon l’invention, FIG. 3 représente une vue en élévation d’une autre étape du même procédé, FIG. 4 représente une vue schématique en coupe d’une autre étape du même procédé, FIG. 5 représente une vue schématique partielle en perspective avec écorché, d’une autre étape du même procédé, FIG. 6 représente une vue schématique en perspective d’une pièce composite fabriquée au travers du procédé selon l’invention, FIG. 7 , FIG. 7 et FIG. 7 représentent des vues A, B et C, schématiques et en perspective, d’étapes de fabrication d’une autre pièce composite, FIG. 8 et FIG. 8 représentent des vues, A et B, schématiques en plan, qui illustrent des étapes de mise en œuvre d’une variante du procédé selon l’invention. FIG. 9 représente une vue schématique en élévation, illustrant une variante du même procédé. En référence aux figures 2, on peut voir sur la vue A que l’on utilise deux nappes unidirectionnelles 2 et 3, dont les fibres 20 de l’une sont orientées selon un angle α par rapport à l’axe longitudinal 0, tandis que les fibres 30 de l’autre sont orientées selon un angle β par rapport à l’axe longitudinal 0, en l’occurrence α est le symétrique de β. Sur la vue B on peut voir que l’étape suivante consiste à superposées et appliquer l’une contre l’autre les nappes 2 et 3, tandis que sur la vue C on peut voir que l’étape suivante consiste à enrouler la superposition des nappes 2 et 3 autour d’un axe d’enroulement R, en sorte d’obtenir un boudin 4, tel que représenté sur la FIG. 3 . Ce boudin 4 est donc constitué de la superposition des deux nappes 2 et 3 enroulée en spirale. En référence à la FIG. 4 on peut voir que le boudin 4 a été placé dans un moule 5 où il est compressé par une action mécanique P, perpendiculaire à l’axe d’enroulement, en sorte d’obtenir une préforme 6 servant à la polymérisation de la pièce à fabriquer. En référence à la FIG. 5 on peut voir la préforme 6 obtenue. L’inclinaison des fibres 20 et 30 par rapport à la direction longitudinale X, associée à l’enroulement puis à la compression permet à la préforme, et donc à la pièce ainsi constituée, de présenter des liens fibreux dans la direction transverse Y comme dans la direction de l’épaisseur Z. Ces liens fibreux qui réunissent les couches de composite dans leur épaisseur permettent une cohésion renforcée repoussant les problèmes de délaminage entre les couches. En référence maintenant à la FIG. 6 , on peut voir une pièce 7 rectiligne, de forme évolutive et de sections constante. Elle est issue d’un boudin 4 après moulage, et elle présente des portions 70, 71 et 72, de formes différentes, dont les sections transversales, respectivement 700, 710 et 720, sont également représentées, et montrant une répartition des fibres dans toutes les directions. Les figures 7, représentent des étapes de fabrication d’une pièce 8, vue C, rectiligne et de forme évolutive, mais de section non constante. Sur la vue A, on réalise la superposition de deux nappes unidirectionnelles 2 et 3, puis on réalise la découpe de cette superposition selon un patron, ou bien on découpe les nappes unidirectionnelles 2 et 3 selon le patron avant superposition. Puis on réalise l’enroulement autour d’un axe R, en sorte d’obtenir un boudin 40 de section non constante, vue B, pour aboutir à la pièce 8 après moulage et polymérisation. On notera que selon une variante non représentée, on peut incorporer à la superposition des nappes 2 et 3, des parties de nappes, de formes choisies, disposées en des emplacements particuliers, et en orientant les fibres de ces empiècements dans des directions préférées, selon la pièce composite à réaliser. Les figures 8 montrent une variante du procédé selon l’invention, ou plus exactement une étape optionnelle permettant d’obtenir des pièces de formes plus complexes, et notamment, mais non limitativement, lorsqu’il s’agit de cintrer le boudin. Sur la vue A on peut voir les nappes 2 et 3, dans lesquelles sont pratiquées des découpes, perpendiculaires à l’axe longitudinal 0, sous la forme des traits de coupe, respectivement 21 et 31, selon de lignes alternées discontinues, en sorte de couper les fibres 20 et 30. Sur la vue B on peut voir la superposition des deux nappes 2 et 3, laquelle est réalisée en sorte que les traits de coupe 31 ne soient pas en regard des traits de coupe 21. On notera qu’en l’occurrence les découpes des nappes 2 et 3 sont réalisées selon des schémas identiques, ce qui nécessite que leur superposition soit réalisée avec un décalage dans le sens longitudinal. Bien entendu il est possible de réaliser les découpes selon des schémas décalés, permettant de procéder à une parfaite superposition. On comprendra qu’après roulage des nappes 2 et 3 superposées et découpées, on obtient un boudin plus malléable, et plus apte de prendre des formes courbes, puisque les fibres partiellement découpées sont plus susceptibles par glissement de s’adapter à des formes non développables. De préférence, comme cela est représenté, l’enroulement est réalisé autour d’une axe R perpendiculaire aux traits de coupe 21 et 31. Le recouvrement conséquent des plis permet de limiter l’influence néfaste des découpes. Bien entendu les traits de coupe 21 et 3 peuvent ne pas s’étendre sur l’ensemble des nappes, et être localisés en un ou plusieurs endroits en fonctions des formes de la pièce à fabriquer. De même, cette variante peut être combinée avec une découpe préalable des nappes ou de la superposition de nappes, selon un patron, en sorte de couvrir une multitude de possibilités. En référence enfin à la FIG. 9 , on peut voir que l’enroulement de la superposition de nappes 2 et 3, peut être réalisé sur un mandrin, de manière à obtenir non pas un boudin cylindrique, mais une préforme tubulaire 9 présentant un espace intérieur 90. Une telle préforme 9, après écrasement dans un moule, permet d’obtenir une partie centrale qui présente des fibres dans les deux directions préférentielles à savoir celles de fibres des nappes 2 et 3, tandis que les liaisons fibreuses qui traversent les couches dans le sens de l’épaisseur sont concentrées au niveau des bords longitudinaux qui sont les zones au niveau desquelles apparaissent généralement les délaminages sur les pièces de l’état de la technique. Par ailleurs, la plasticité de la préforme 9 permet aussi sa déformation par compression radiale des plis. Elle peut être réalisée par l'intérieur du boudin, dans un moule de forme par l'usage un mandrin expansible mécanique ou par la mise en pression d'une vessie. Le procédé selon l’invention, quelle que la version utilisée, seule ou en combinaison avec une ou plusieurs autres variantes, permet de fabriquer de nombreuses pièces en matériau composite de toutes formes droits, courbes etc, et susceptibles d’être sollicitées mécaniquement. D’autre part le procédé selon l’invention permet de produire des pièces à cadence élevées, de manière automatique, contrairement au drapage classique qui peut être assimilée à de l’artisanat. Procédé de fabrication de pièces en matériau composite susceptibles d’être sollicitées mécaniquement, pouvant présenter des variations de section droite et/ou des variations de courbure ou de torsion, et présentant une direction privilégiée, caractérisé en ce qu’il consiste à réaliser successivement les opérations suivantes : empiler au moins deux nappes unidirectionnelles (2, 3) de fibres contre croisées à + ou – N°, réaliser un boudin (4 ; 40 ; 9) de forme globalement cylindrique par enroulement sur lui-même de l’ensemble des au moins deux nappes (2, 3) autour d’un axe d’enroulement (R), compresser ledit boudin (4 ; 90 ; 9) par une action mécanique perpendiculaire à l’axe d’enroulement (R), afin de le déformer pour lui faire prendre la forme de la préforme servant à la polymérisation de la pièce (7 ; 8) à fabriquer, et en ce que lesdites nappes (2, 3) sont coupées, avant ou après superposition, à une forme adéquate selon un patron, en sorte de conduire à la réalisation, après enroulement, d’un boudin (40) présentant des portions de diamètres différents. Procédé de fabrication de pièces en matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la superposition de nappes (2, 3) est enroulée sur un mandrin qui après enlèvement permet d’obtenir un boudin tubulaire (9). Procédé de fabrication de pièces en matériau composite selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu’on incorpore à la superposition de nappes (2, 3), avant ou pendant l’opération d’enroulement, un ou plusieurs plis de fibres d’orientation autre que celles des fibres (20, 30) desdites nappes (2, 3), en fonction de la pièce à réaliser. Procédé de fabrication de pièces en matériau composite selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’avant l’opération d’empilement des nappes (2, 3), chacune de ces dernières est soumise à une opération de découpes, qui consiste à pratiquer dans celles-ci des traits de coupe (21, 31) selon de lignes alternées discontinues, en sorte d’une part que chaque fibre (20, 30) soit coupée selon un pas, constant ou non, d’autre part que l’intégrité de la nappe (2, 3) soit conservée, et d’autre part encore que dans l’empilement les nappes (2, 3) les traits de coupe d’une nappe soient décalés par rapport à ceux de la nappe adjacente. Procédé de fabrication de pièces en matériau composite selon la revendication 4, caractérisé en ce que les nappes (2, 3) sont découpées de manière identique, et lors de l’empilement on décale une nappe par rapport à une autre, ou bien on procède à des découpes décalées et les nappes (2, 3) sont parfaitement superposées. Procédé de fabrication de pièces en matériau composite selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que les découpes sont localisées uniquement dans une ou plusieurs zones particulières des nappes (2, 3), en fonction de la pièce à réaliser. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l’enroulement est réalisé autour d’axe (R) perpendiculaire aux traits de coupe (21, 31). Pièce en matériau composite caractérisée en ce qu’elle est fabriquée par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.