Brevet FR3163598A1 — publié le 20251226

L’invention concerne un procédé pour la préparation d’une surface de dépose (110) d’un outillage (100) de drapage configuré pour le drapage d’un pré-imprégné comprenant une matrice polymère thermoplastique, le procédé comprenant les étapes de : préparer la surface de dépose (110) ; déposer une couche fine (320) d’un polymère thermoplastique sur au moins une partie la surface de dépose (110) ainsi préparée ; dans lequel une température de fusion du polymère thermoplastique de la couche fine est égale ou supérieure à une température de fusion de la matrice polymère thermoplastique. L’invention concerne également un outillage obtenu par un tel procédé. Procédé pour la réalisation d’un accrochage du premier pli en drapage composite thermoplastique L’invention appartient aux procédés relatifs à la mise en œuvre des matériaux composites à matrice polymère thermoplastique. Plus particulièrement le procédé s’adresse à la dépose de pré-imprégnés à matrice thermoplastique par drapage ou placement automatique de fibres, et plus particulièrement à la préparation d’une surface d’un outillage mis en œuvre au cours d’une telle opération. Le drapage est une opération consistant à réaliser une préforme composite comprenant une stratification de plis déposés sur un outillage comprenant une surface de dépose reproduisant la forme d’une préforme de la pièce finale. Les plis sont constitués d’un pré-imprégné comprenant des fibres et le polymère constituant la matrice du composite. La préforme ainsi obtenue est ensuite cuite ou consolidée en la soumettant à un cycle de pression et de température de sorte à lui conférer la forme et les caractéristiques finales de la pièce. À la différence des pré-imprégnés comprenant une matrice thermodurcissable les pré-imprégnés comprenant des fibres et une matrice polymère thermoplastique ne présentent pas de pégosité à température ambiante. L’adhésion d’un nouveau pli déposé sur une stratification préalablement réalisée est obtenue par un chauffage localisé dans la zone de dépose à la fois du pli déposé et au moins de la surface exposée de la stratification sous-jacente, à une température suffisante, ainsi que par l’application d’une pression, pour réaliser l’adhésion du nouveau sur la préforme en cours de drapage. Le document EP 4 349 576 A1 décrit un tel procédé de chauffage localisé au moyen d’un faisceau laser pour un drapage d’un pré-imprégné thermoplastique. Dans tout le texte le terme drapage s’applique à la dépose d’un pré-imprégné sous la forme de lais ou sous la forme de fibres ou de mèches, cette dernière variante étant couramment désignée sous les termes de placement automatique de fibres, ou par l’acronyme anglo-saxon AFP pour « Automatic Fiber Placement ». Ces procédés de dépose sont connus de l’art antérieur. Ainsi, lors du drapage d’un pré-imprégné thermoplastique l’adhésion du pli déposé sur la préforme en cours de réalisation dépend de la présence sous-jacente d’un polymère thermoplastique contenu dans les plis déposés préalablement. Lors de la dépose du premier pli sur l’ouillage, celui-ci est constitué d’un matériau (métallique ou céramique) qui ne permet pas une liaison chimique avec le polymère du pré-imprégné lorsque le drapage est réalisé à grande vitesse comme décrit par exemple dans le document US 10 773 470 sans fusion du polymère d’imprégnation. Il y a par conséquent un problème d’accrochage du premier pli déposé avec la surface de dépose de l’outillage, particulièrement saillant lorsque la dépose est réalisée à grande vitesse. Si les conditions de drapage du premier pli sont telles qu’il soit possible d’accrocher le premier pli directement à la surface de l’outillage, se pose alors le problème de démoulage de la préforme à la suite du drapage. Cette difficulté technique est actuellement résolue en enveloppant la surface de l’outillage par un film polyimide résistant à haute température couramment désigné par thermalimide. Ce film thermalimide, lié à l’outillage par des rubans adhésifs, permet une adhésion suffisante du premier pli, sur le film, et permet le démoulage de la préforme, le film restant lié à celle-ci. Le film thermalimide peut ensuite être arraché de la préforme sans dégrader celle-ci. Ainsi, avant chaque opération de drapage, l’outillage de drapage doit être recouvert d’un nouveau film thermalimide. Un tel film thermalimide n’est pas déformable, de sorte que quand l’outillage est de forme complexe, non développable ou présentant des soyages et autres variations locales de forme, la couverture de la surface de l’outillage est réalisée avec des petites portions de film thermalimide, collées individuellement avec un ruban adhésif, selon une méthode de type « scrapbooking », de sorte à éviter la formation de fronces ou de plissures dans le film, lesquelles seraient reproduites sur la préforme et conduiraient notamment à des ondulations locales de fibres affectant potentiellement les caractéristiques mécaniques de la pièce finale. Cette opération manuelle est minutieuse, fastidieuse et chronophage et associée au coût du film thermalimide, non réutilisable, affecte le coût des pièces et la productivité globale de l’opération de drapage. La résolution des inconvénients de l’art antérieur réside dans un procédé pour la préparation d’une surface de dépose d’un outillage de drapage configuré pour le drapage d’un pré-imprégné comprenant une matrice polymère thermoplastique, le procédé comprenant les étapes de : préparer la surface de dépose ; déposer une couche fine d’un polymère thermoplastique sur au moins une partie de la surface de dépose ainsi préparée ; dans lequel une température de fusion du polymère thermoplastique de la couche fine est égale ou supérieure à une température de fusion de la matrice polymère thermoplastique. Ainsi la couche fine de polymère adhère fortement à la surface de dépose du fait de la préparation de surface et permet l’accrochage du premier pli lors d’une opération subséquente de drapage. Le procédé peut être mis en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposés ci-après lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Selon un mode de réalisation, le polymère thermoplastique de la couche fine est le même que la matrice polymère thermoplastique. Selon une variante de réalisation, le polymère thermoplastique de la couche fine et la matrice polymère thermoplastique sont des polymères de la famille des polyaryléthercétones. Selon un mode de réalisation l’étape de préparer la surface de dépose comprend un sablage de la surface de dépose. Avantageusement, une rugosité de la surface dépose après l’étape de préparer la surface de dépose est un Ra supérieur ou égal à 6,3 micromètres sur l’ensemble de la surface de dépose. Cette rugosité assure un fort accrochage de la fine couche de polymère sur la surface de dépose et la capacité de démouler la préforme drapée sans arracher la fine couche de polymère de l’outillage de drapage. Selon un autre mode de réalisation, compatible avec le précédent, l’étape de préparer la surface de dépose comprend une texturation de la surface de dépose par un procédé choisi parmi une texturation laser, une gravure chimique et un usinage électrochimique. Selon un mode de réalisation, une bande d’une largeur comprise entre 1 mm et 10 mm depuis au moins un bord de la surface de dépose diffère du reste de la surface de dépose par une surface de la bande choisie parmi : non couverte par la couche fine polymère et une couverture par un ruban adhésif résistant à haute température. Ces aménagements évitent que la fine couche polymère soit dégradée dans les zones de réacheminement et de coupe des mèches lors du drapage. L’invention concerne également un outillage adapté au drapage d’une préforme composite à matrice thermoplastique, l’outillage comprenant une surface de dépose dont une rugosité Ra est au moins égale à 6,3 micromètres et dans lequel une partie au moins de la surface de dépose est couverte par une couche d’une épaisseur comprise entre 120 micromètres et 400 micromètres d’un polymère thermoplastique adhérant en tout point à la surface de dépose. Selon un mode de réalisation, l’outillage comprend un dispositif de chauffage de la surface de dépose intégré à l’outillage. Le procédé est mis en œuvre selon les modes de réalisation préférés, nullement limitatifs décrits ci-après en référence à FIG. 1 à FIG. 3 dans lesquelles : Fig.1 FIG. 1 montre selon une vue en perspective et en éclaté un exemple de mise en œuvre du procédé ; Fig.2 FIG. 2 montre selon une vue en perspective un exemple de réalisation d’une préforme composite obtenue à partir de l’outillage représenté FIG. 1 ; Fig.3 FIG. 3 montre selon une vue en perspective l’exemple de l’outillage de FIG. 1 recouvert d’une fine couche de polymère sur une partie de sa surface de dépose. FIG. 1 Selon un exemple de réalisation un outillage de drapage (100) comprend une surface de dépose (110) de forme complexe non-développable et/ou comprenant des changements de forme localisés tels que des soyages (non représentés). Un tel outillage est couramment réalisé par usinage d’un acier à outillage, qui peut être un acier à faible coefficient de dilatation thermique de type INVAR® pour la mise en œuvre d’un composite comprenant des fibres de carbone dans une opération de drapage comprenant une consolidation directe au drapage. Le procédé est cependant adapté à d’autres natures d’outillages, fonction de l’application et du domaine technique des pièces visées, notamment un outillage en alliage d’aluminium, en alliage de cuivre ou en céramique. FIG. 2 cet outillage est destiné à réaliser une préforme composite (200) d’une pièce comprenant des fibres continues (210) c’est-à-dire s’étendant sans discontinuité d’un bord à l’autre de la pièce et de la préforme (200), dans une matrice polymère thermoplastique. À titre d’exemples non limitatifs les fibres sont des fibres de carbone, de verre d’aramide ou toute combinaison, la matrice polymère thermoplastique est constitué d’un polymère de la famille de polyaryléthercétones (PAEK) tel que PEEK (polyétheréthercétone), PEK (polyéthercétone), PEKK (polyéthercétonecétone), LMPAEK® (un copolymère polyaryléthercétone à bas point de fusion), ou encore de sulfure de polyphénylène (PPS) pour les applications aéronautiques, mais le procédé est adapté à d’autres types de matrices polymères et d’autres natures de fibres. La pièce est obtenue par l’intermédiaire d’un préforme (200) comprenant une stratification de plis composites, les fibres étant d’orientation différente selon les plis. La préforme (200) est ainsi obtenue par une première opération de drapage, notamment par placement automatique de fibres (AFP). Cette première opération est avantageusement réalisée sans consolidation directe au drapage, c’est-à-dire que les mèches de fibres sont déposées à grande vitesse de dépose. Selon cet exemple, les fibres déposées adhèrent au pli préalablement déposé par l’action d’un chauffage localisé et de l’application d’une pression au niveau du site de dépose. Toujours selon cet exemple de réalisation non-limitatif, la vitesse de dépose associée au contrôle des conditions de chauffage au niveau du site de dépose permettent d’obtenir, à l’issue de l’opération de drapage, une préforme (200) rigide mais non-totalement consolidée c’est-à-dire que les plis sont fermement liés les uns aux autres sans que les chaînes moléculaires du polymère constituant la matrice ne traversent les plis. Aussi, selon cet exemple de réalisation la préforme (200) subit une étape supplémentaire de consolidation, consistant à soumettre celle-ci à un cycle de pression-température par exemple en chauffant celle-ci au-delà de sa température de fusion dans un outillage étanche, en forme et tiré au vide. À l’issue de cette étape de consolidation, la pièce prend sa forme et son épaisseur finales et est éventuellement usinée pour réaliser perçages, détourages et autres finitions. Le procédé de préparation de l’outillage de drapage est particulièrement adapté au procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus mais est également applicable à un procédé de drapage mettant en œuvre une consolidation totale à la dépose, directement lors du drapage, dans lequel la vitesse de dépose, réduite, et les conditions d’application des fibres à la dépose (pression, température) permettent la consolidation des plis l’élimination des porosités et par le développement des chaînes moléculaires de la matrice polymère à travers la stratification lors de la dépose. En revenant à FIG. 1 , le procédé de préparation vise à préparer une surface de dépose (110) de sorte que celle-ci permette l’accrochage du premier pli déposé sur cette surface tout en assurant la capacité de retirer la préforme de l’outillage après l’opération de drapage sans dégrader ni la préforme, ni l’outillage. À cette fin, une préparation de surface est appliquée à la surface de dépose (110) et suite à cette préparation de surface, un film polymère (120) est appliqué sur la surface ainsi préparée. La préparation de surface vise à renforcer l’adhésion du film polymère (120) sur la surface de dépose (110) de sorte que lors du retrait de la préforme de l’outillage le film polymère reste lié à la surface de dépose. À titre d’exemple, la préparation de la surface de dépose (110) est réalisée par un sablage visant à obtenir une rugosité Ra de l’ordre ou légèrement supérieure à 6,3 micromètres. Le sablage produit une surface dont la rugosité est dite ergodique se traduisant par des reliefs stochastiques. Un résultat similaire de renforcement de l’accrochage sur la surface de dépose peut être obtenu par une texturation de surface de dépose selon des motifs définis notamment par gravure laser, gravure chimique ou électrochimique voir directement lors de l’usinage par outil coupant. Dans ces cas la rugosité désirée dépend de la texture, notamment dans le cas de la gravure laser qui permet de réaliser des motifs complexes tels que des « puits d’accrochages » ou la superposition de motifs plus grossiers et plus fins, de sorte que les conditions de texturation adaptées peuvent être déterminées par des essais. Lesdits essais peuvent être menés de manière économique par des tests de drapage sur des tôles plates ainsi préparées. Il est également possible de combiner plusieurs modes de préparation de surface par exemple un sablage et une gravure laser. L’outillage de drapage (100) avec le film polymère (120) recouvrant toute ou partie de la surface de dépose (110) sont ensachés dans une bâche à vide, tirée au vide, et l’ensemble est chauffé à une température au moins égale à la température de fusion du polymère thermoplastique constituant le film polymère (120). Ainsi, le film polymère épouse parfaitement la forme de la surface de dépose, y compris sa texture et sa rugosité, adhérant fortement à celle-ci sous la forme d’une couche fine de polymère. FIG. 3 l’épaisseur du film polymère est typiquement comprise entre 120 micromètres et 400 micromètres, de sorte qu’après ce traitement thermique une couche fine (320) de polymère thermoplastique, dont l’épaisseur est du même ordre de grandeur, recouvre au moins une partie de la surface de dépose (110) et adhère fortement à celle-ci. La surface de dépose (110) peut être usinée de sorte à tenir compte de cette épaisseur supplémentaire, plus particulièrement lorsque l’opération drapage comprend une consolidation directe lors du drapage. Cette couche fine (320) de polymère thermoplastique va permettre l’accrochage d’un pré-imprégné thermoplastique déposé lors d’une opération de drapage subséquente. Afin que l’accrochage du premier pli sur la couche fine de polymère soit moins fort que celui de la couche fine de polymère sur la surface de dépose de l’outillage, la température de fusion du polymère constituant la couche fine doit être supérieure ou égale à la température de fusion du polymère d’imprégnation du pré-imprégné. Selon un premier exemple de réalisation, le polymère constituant la fine couche est sélectionné comme le même que le polymère thermoplastique d’imprégnation du pré-imprégné. A titre d’exemples de ce premier mode de réalisation, si le pré-imprégné drapé est un carbone-PEEK la couche fine de polymère (320) est constituée de PEEK, si le pré-imprégné est un carbone-PPS, la couche fine de polymère (320) est constituée de PPS. Les conditions de drapage à grande vitesse telles que décrites plus haut assurent qu’une force d’adhésion de la fine couche polymère (320) à la surface de dépose (110) est supérieure à une force d’adhésion de la fine couche polymère au premier pli, ce qui permet de démouler la préforme après drapage sans arracher la fine couche de polymère et de réutiliser immédiatement l’outillage (100). Selon un autre mode de réalisation, le polymère thermoplastique constituant la fine couche est de la même famille que le polymère d’imprégnation du pré-imprégné mais présente une température de fusion supérieure. Par exemple, selon ce deuxième mode de réalisation, si le pré-imprégné drapé est un carbone-PEEK la fine couche de polymère peut être constituée de PEKK. Si le pré-imprégné est un carbone-LMPAEK® alors la fine couche peut être choisie parmi PEEK et PEKK. Cette configuration assure une forte adhésion du premier pli y compris en drapage à grande vitesse tout en assurant que la force d’adhésion de la fine couche de polymère à la surface de dépose est supérieure à la force d’adhésion entre la fine couche de polymère thermoplastique et le premier pli du fait de la différence de température de fusion. Selon ces deux modes de réalisation, la miscibilité du polymère constituant la fine couche et de celui d’imprégnation du pré-imprégné, soit parce qu’ils sont de même nature soit parce qu’ils sont de la même famille, entraîne que si une petite portion (éclat) de la fine couche de polymère adhère à la préforme et est arrachée de l’outillage lors du démoulage de la préforme, cette portion de polymère sera intégrée à la pièce lors de la consolidation subséquente sans dégrader la qualité de la pièce. Dans le cas où l’opération de drapage comprend une consolidation directe au drapage, le polymère thermoplastique sélectionné pour constituer la couche fine (320) est choisi avec une température de fusion nettement supérieure à celle du polymère thermoplastique d’imprégnation du pré-imprégné, par exemple, le film polymère est un polyimide thermoplastique à haute température de fusion. Cette différence de température de fusion assure une différence d’adhésion de la couche fine (320) à la surface de dépose (110), plus forte, et de la couche fine au pré-imprégné lors de la dépose, plus faible ainsi que l’absence de transfert entre la couche fine et la préforme, la couche fine n’étant pas portée à sa température de fusion lors de la dépose. À la différence de l’art antérieur, selon ce mode de réalisation la couche fine (320) de polyimide thermoplastique épouse parfaitement la surface de dépose du fait du procédé mettant en œuvre la fusion et l’application du film polymère thermoplastique sur la surface dépose sous pression, et la couche fine de polyimide thermoplastique reste accrochée à l’outillage, lequel peut être réutilisé immédiatement après démoulage de la préforme. Selon un mode de réalisation, l’outillage comprend un dispositif de chauffage de la surface de dépose qui peut être utilisé au cours de l’opération de drapage. Selon des exemples de réalisation ce chauffage peut être obtenu en plaçant l’outillage (100) sur un plateau chauffant lors de l’opération de drapage, ou, l’outillage peut disposer d’un dispositif de chauffage autonome comprenant des conduits (350) adaptés à a circulation d’un fluide caloporteur, au cheminement de résistances électriques, d’inducteurs ou toute combinaison de ces moyens. Le chauffage de la surface de dépose, notamment lors du drapage du premier pli, à une température nettement inférieure à la température de fusion du polymère thermoplastique constituant la couche fine (320) permet un certain contrôle de la force d’adhésion du premier pli sur ladite couche fine, tant lors du drapage que du démoulage, offrant ainsi une possibilité de réglage supplémentaire. Avantageusement, au moins une bande de la surface de dépose à une distance d’au moins un bord (330) est préparée de sorte que la fine couche de polymère ne soit pas en contact avec le pré-imprégné lors du drapage. Cette largeur, comprise entre 1 mm et 10 mm selon les dimensions de la préforme, correspond à une zone de découpe des mèches en placement automatique de fibres ou des lais en drapage de bandes. Cette découpe et les éventuels phénomènes de flash laser dans cette zone sont susceptibles de dégrader la fine couche de polymère. À cette fin, selon un premier mode de réalisation la fine couche de polymère ne couvre pas entièrement la surface de dépose et laisse subsister au moins une bordure non recouverte entre le périmètre de la fine couche de polymère et au moins un bord (330) de la surface de dépose (110). Selon un autre mode de réalisation, la fine couche de polymère recouvre l’ensemble de la surface de dépose (110) mais au moins une bande en bordure est recouverte par un ruban adhésif (335) résistant à haute température, tel qu’un ruban adhésif thermalimide. Ces deux modes de réalisation peuvent être combinés c’est-à-dire que la fine couche (320) polymère thermoplastique ne recouvre pas l’intégralité de la surface de dépose (110) et au moins une partie de la surface non couverte par la fine couche polymère en bordure est couverte par un ruban adhésif résistant à haute température (335). Dans tous les cas, l’accrochage du premier pli sur le reste de la surface de la couche fine (320) est suffisant pour assurer la stabilité du premier pli sur l’outillage de drapage. Procédé pour la préparation d’une surface de dépose (110) d’un outillage de drapage (100) configuré pour le drapage d’un pré-imprégné comprenant une matrice polymère thermoplastique, le procédé comprenant les étapes de : préparer la surface de dépose (110) ; déposer une couche fine (320) d’un polymère thermoplastique sur au moins une partie de la surface de dépose (110) ainsi préparée ; dans lequel une température de fusion du polymère thermoplastique de la couche fine est égale ou supérieure à une température de fusion de la matrice polymère thermoplastique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le polymère thermoplastique de la couche fine est le même que la matrice polymère thermoplastique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le polymère thermoplastique de la couche fine et la matrice polymère thermoplastique sont des polymères de la famille des polyaryléthercétones. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de déposer une couche fine (330) de polymère thermoplastique comprend déposer un film de polymère (120) sur au moins une partie la surface de dépose (110) et consolider le film de polymère (120) en portant la surface de dépose (110) et le film polymère à une température égale ou supérieure à la température de fusion du film polymère, sous pression. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de préparer la surface de dépose (110) comprend un sablage de la surface de dépose (110). Procédé selon la revendication 3, dans lequel une rugosité de la surface dépose (110) après l’étape de préparer la surface de dépose est un Ra supérieur ou égal à 6,3 micromètres sur l’ensemble de la surface de dépose. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de préparer la surface de dépose (110) comprend une texturation de la surface de dépose par un procédé choisi parmi une texturation laser, une gravure chimique et un usinage électrochimique. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une bande d’une largeur comprise entre 1 mm et 10 mm depuis au moins un bord (330) de la surface de dépose diffère du reste de la surface de dépose par une surface de la bande choisie parmi : non couverte par la couche fine polymère et une couverture par un ruban adhésif (335) résistant à haute température. Outillage (100) adapté au drapage d’une préforme (200) composite à matrice thermoplastique, l’outillage comprenant une surface de dépose (110) dont une rugosité Ra est au moins égale à 6,3 micromètres et dans lequel une partie au moins de la surface de dépose est couverte par une couche fine (320) d’une épaisseur comprise entre 120 micromètres et 400 micromètres d’un polymère thermoplastique adhérant en tout point à la surface de dépose (110). Outillage selon la revendication 9, comprenant un dispositif de chauffage (350) de la surface de dépose (110) intégré à l’outillage.