Brevet FR3153278A1 — publié le 20250328

Procédé de fabrication de pièces multi-composant s La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de structure multi-composant, le procédé comprenant une première étape d’application - sur un premier composant - d’un pré-polymère précurseur d’adhésif thermodurcissable, et une deuxième étape d’application sur le pré-polymère d’une résine thermodurcissable destinée à former un deuxième composant. Les étapes sont suivies d’un traitement thermique permettant de former une pièce multi-composant comprenant un deuxième composant en matériau composite qui est collé au premier composant. Procédé de fabrication de pièces multi-composants L’invention concerne le domaine de la fabrication d’éléments de structure comprenant un assemblage de plusieurs matériaux différents dont un composite à matrice organique thermodurcissable. Les pièces de structure comprenant plusieurs matériaux sont généralement assemblées par collage des interfaces. C’est le cas par exemple des pièces comprenant un composite à matrice organique et un élément métallique pour lesquelles deux polymères sont utilisés : une résine pour générer la matrice organique et un adhésif pour créer les interfaces collées. Il existe principalement deux méthodes pour assembler un matériau composite à un autre élément, lorsque le composite est fabriqué par injection de résine liquide thermodurcissable dans un moule. Les interfaces peuvent être collées avec un adhésif thermodurcissable, après le moulage du composite. Un seul polymère est alors transformé dans la cavité moulante, les interfaces étant collées dans un deuxième temps. Cette méthode de collage secondaire présente le désavantage de mettre en œuvre deux cycles thermiques, ce qui expose le polymère consolidé obtenu à l’issu du moulage à une nouvelle montée en température qui le fait vieillir prématurément et diminue la qualité de la pièce finale. Une seconde méthode consiste à former successivement deux polymères thermodurcissables dans la cavité du moule, l’adhésif puis la résine, ce qui impose un cycle thermique particulier, une gestion de la fenêtre du procédé réduite, et potentiellement plus de rebut de pièces. Dans ce type de procédé, l’injection de la résine fluidifiée est faite pendant la montée en température de l’outillage. La gestion de deux comportements rhéo-cinétiques différents, celui de l’adhésif et celui de la résine, impose donc un cycle thermique assez complexe. L’adhésif qui a été appliqué sur la pièce et placé dans la cavité, commence à polymériser avant d’amorcer l’injection de la résine, et la réticulation de l’adhésif ne doit pas être totalement terminée au moment de l’injection, afin d’assurer une bonne tenue de l’interface entre l’adhésif et la résine. Par ailleurs, la très grande réactivité de l’adhésif impose de diminuer la température d’injection de la résine. La résine, dont la rhéologie est un paramètre déterminant de la santé matière du composite, est donc plus visqueuse, moins réactive et pénètre plus difficilement la porosité d’un renfort fibreux. Il est donc nécessaire d’optimiser le cycle thermique de la cavité moulante, ce qui mène à une réduction de la fenêtre d’injection de la résine, et rend la gestion de la santé matière plus difficile. L’optimisation du cycle est d’autant plus délicate dans le cas de pièces multi-composants de grande dimension, pour lesquelles le moule est plus large et nécessite une plus grande puissance thermique. Le besoin subsiste par conséquent de réduire les contraintes de fabrication qui découlent du collage entre plusieurs composants avec un adhésif thermodurcissable. Il est en particulier souhaitable de supprimer l’opération de collage secondaire réalisée après moulage et consolidation de la matrice composite. Il est également souhaitable de simplifier les procédés de co-injection classiques consistant à polymériser successivement la résine et l’adhésif dans le moule tout en améliorant la santé matière des pièces multi-composant produites. L’invention répond à ces besoins en proposant un procédé de fabrication d’une pièce de structure multi-composants comprenant une première étape d’application - sur un premier composant - d’un pré-polymère précurseur d’adhésif thermodurcissable, et une deuxième étape d’application sur le pré-polymère d’un mélange comprenant un durcisseur de l’adhésif, une résine et un durcisseur de la résine. Les étapes sont suivies d’un traitement thermique permettant de former un deuxième composant en matériau composite à matrice thermodurcissable qui adhère au premier composant grâce à l’adhésif thermodurcissable formé in situ. Dans la présente description, on pourra utiliser les termes « polymère non réticulé précurseur de l’adhésif thermodurcissable » ou « pré-polymère » pour désigner le polymère destiné à réagir avec un durcisseur sous l’effet de la chaleur pour former l’adhésif thermodurcissable. Le procédé de l’invention présente l’originalité de pouvoir assembler un composant en matériau composite à une autre pièce, pendant la densification d’un renfort fibreux avec une résine thermodurcissable. Dans un premier mode de réalisation le procédé de l’invention est mis en œuvre par moulage de composite liquide (« Liquid Composite Molding » ou LCM en anglais), par exemple par moulage par injection de résine (« Resin Transfert Molding » ou RTM en anglais) ou par moulage par transfert de résine sous vide (« Vacuum Assisted Resin Transfer Molding » ou VARTM en anglais). Dans ce mode de réalisation, on place le premier composant recouvert de pré-polymère et le renfort fibreux dans un moule, puis on injecte un mélange comprenant la résine, le durcisseur de la résine et le durcisseur de l’adhésif dans le moule refermé. On porte ensuite le moule à une température suffisante pour faire réagir le pré-polymère d’adhésif avec le durcisseur de l’adhésif d’une part, et pour faire réticuler la résine avec le durcisseur de la résine, d’autre part. Le composé chimique utilisé comme durcisseur de la résine est avantageusement identique à celui utilisé comme durcisseur de l’adhésif. Les inventeurs proposent de synthétiser simultanément l’adhésif et le composite, en retirant le durcisseur de la composition d’adhésif utilisée dans l’art antérieur dans les procédés de co-injection. Dans le procédé de l’invention, un pré-polymère précurseur de l’adhésif est appliqué sur le premier composant, et reste inerte dans la cavité moulante en l’absence du durcisseur. Après dépôt du film inerte de pré-polymère, un mélange contenant le durcisseur de l’adhésif, la résine et le durcisseur de la résine est injecté dans la cavité. La formation de l’adhésif par réaction du pré-polymère et du durcisseur de l’adhésif se produit pendant la formation de la matrice qui résulte de la réaction entre la résine et le durcisseur de la résine. La polymérisation de l’adhésif permet de créer une liaison entre les deux composants sans étape de collage proprement dite. Le procédé de l’invention permet avantageusement d’éviter l’emploi de plusieurs produits de résine thermodurcissable dans la fabrication de pièces multi-composants, tout en conservant les performances mécaniques des matériaux. Le procédé est transposable à l’échelle industrielle grâce à une plus grande flexibilité dans les paramètres de cycle d'injection et de durcissement. Il permet également de diminuer le rebut de pièces. La solution proposée permet de générer une interface collée entre un composant métallique et un composite au cours du cycle de cuisson de la matrice du composite. Le procédé de l’invention présente l’avantage d’améliorer la qualité des pièces produites, et de supprimer l’opération de collage secondaire effectuée dans les procédés de l’art antérieur. Lorsque le procédé de l’invention est mis en œuvre par moulage de composite liquide, l’invention permet avantageusement de simplifier la gestion thermique de la cavité moulante, L’invention trouve application notamment dans la fabrication d’aubes ou d’hélices pour turboréacteur, en particulier d’hélices de soufflante non carénées dont les pales ont une grande dimension. L’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une pièce de structure multi-composant comprenant un assemblage de plusieurs composants dont un premier composant et un deuxième composant assemblés par un adhésif thermodurcissable, le deuxième composant comprenant un matériau composite à matrice organique thermodurcissable, ledit procédé comprenant - une première étape d’application sur une surface du premier composant, d’un polymère non réticulé précurseur de l’adhésif thermodurcissable, et - une deuxième étape d’application, sur le polymère non réticulé, d’un durcisseur de l’adhésif, d’une résine précurseur de la matrice organique thermodurcissable et d’un durcisseur de la résine, - une troisième étape de traitement thermique de l’ensemble permettant de former le matériau composite et l’adhésif thermodurcissable qui assemble le premier composant au deuxième composant ainsi formé. Dans la présente demande, l’expression « compris(e) entre ... et ... » désigne une plage de valeur ne comprenant pas les bornes, tandis que l’expression « de … à… » s'entend bornes incluses. L’expression « résine » peut désigner un composé chimique susceptible de réagir avec un durcisseur pour former un matériau thermodurcissable. Dans la description de certains aspects de l’invention, le mot « résine » ou « résine thermodurcissable » peut être également employé pour désigner un produit sous la forme d’un mélange, qui peut être avantageusement disponible dans le commerce, comprenant un composé chimique susceptible de réagir avec un durcisseur sous l’effet de la chaleur. Sauf indication contraire, la température de l’étape réalisée est la température ambiante, et la pression est celle de la pression atmosphérique. Dans la présente demande, le polymère non réticulé précurseur d’adhésif thermodurcissable peut également être désigné sous le terme de « pré-polymère ». On préfère utiliser un pré-polymère à terminaisons époxy comprenant des cycles aromatiques dans sa chaîne principale. Selon une variante du procédé de l’invention la résine précurseur est une résine époxy, et le polymère non réticulé est un polymère aromatique comprenant des fonctions époxy en bout de chaîne On utilise par exemple un pré-polymère obtenu par réaction du Bisphénol-A ou du Bisphénol-F avec l’épichlorhydrine. Dans un mode de réalisation, le pré-polymère est un homopolymère du diglycidyléther de bisphénol-A (DGEBA), notamment un polymère de référence CAS 28064-14-4 qui peut être représenté par la formule générale dans laquelle n est un nombre décimal compris entre 0 et 2. Dans un autre mode de réalisation, le pré-polymère est un homopolymère du diglycidyléther de bisphénol-F (DGEBF) de référence CAS 9003-36-5. On peut avantageusement utiliser un pré-polymère ayant une masse moléculaire comprise entre 300 g/mol et 1400 g/mol, par exemple comprise entre 320 g/mol et 1200 g/mol, ou allant de 340 g/mol à 1100 g/mol, pour privilégier une bonne interface entre l’adhésif et la matrice organique thermodurcissable, et obtenir une pièce multi-composant dotée des propriétés mécaniques comparables, voire supérieures à celles des pièces multi-composants obtenues par un procédé de l’art antérieur. Le pré-polymère est de préférence suffisamment visqueux pour assurer un bon positionnement sur le premier composant, pendant la première étape et jusqu’au début de la deuxième étape au cours de laquelle sont appliqués la résine et le durcisseur de la résine. Dans un mode de réalisation particulier, le procédé est réalisé par moulage par injection de résine, et le pré-polymère est appliqué à la fois sur le premier composant et sur une préforme. La viscosité du pré-polymère est avantageusement suffisante pour assurer un bon positionnement de son dépôt sur le premier composant et la préforme jusqu’à l’injection de la résine et du durcisseur de la résine dans le moule. Le pré-polymère permet de diminuer le nombre de fonctions époxy nécessaire pour assurer la réaction avec le(s) durcisseur(s), et par voie de conséquence, de diminuer la quantité de durcisseur dans le mélange comprenant la résine qui est utilisé au cours de la deuxième étape. Par conséquent, un apport limité de durcisseur permet d’assurer des performances mécaniques locales compatibles avec l’application envisagée pour la pièce multi-composant. Le pré-polymère présente l’avantage de rester chimiquement stable au début de la troisième étape de traitement thermique. Dans le cas d’un pré-polymère issu du diglycidyléther de bisphénol-A (DGEBA), les réactions d’homopolymérisation entre les fonctions époxydes du pré-polymère interviennent avantageusement à des températures supérieures à 180°C. Le pré-polymère (également désigné sous le terme polymère non réticulé) est avantageusement appliqué sous la forme d’un film dont l’épaisseur est choisie pour permettre une bonne dispersion du durcisseur dans le pré-polymère pendant l’étape de traitement thermique. Ainsi, le polymère non réticulé est de préférence appliqué de sorte à recouvrir la surface du premier composant d’un film ayant une épaisseur allant de 15 microns à 300 microns, de préférence allant de 15 microns à 150 microns. Des charges ténacifiantes peuvent être ajoutées au pré-polymère avant son application. Dans un mode de réalisation particulier, le deuxième composant comprend une préforme consolidée par la matrice thermodurcissable, et la première étape du procédé de l’invention comprend l’application du pré-polymère sur une surface du premier composant et sur une surface de la préforme. Après réalisation de la première étape d’application du pré-polymère, le procédé comprend une deuxième étape d’application d’un durcisseur destiné à réagir avec le pré-polymère sous l’effet de la chaleur pour le faire réticuler et lui permettre de remplir la fonction d’adhésif entre les deux composants. Le durcisseur d’adhésif peut être une diamine primaire aromatique, tel que par exemple le 9,9-Bis-(4-amino-3-chlorophenyl)-fluorène, encore appelé chlorophényl amino fluorène (CAF). Au cours de cette deuxième étape, est également appliquée une résine thermodurcissable destinée à former la matrice organique du deuxième composant sous l’effet de la chaleur. La résine précurseur peut comprendre du diglycidyléther de bisphénol-F (DGEBF). Le durcisseur de la résine peut être une diamine primaire aromatique, comme le 9,9-Bis-(4-amino-3-chlorophenyl)-fluorène. Selon un mode de réalisation très avantageux du procédé de l’invention, le durcisseur de la résine et le durcisseur d’adhésif ont la même formule chimique. L’homme du métier saura adapter la stœchiométrie de la résine sur la base de ses connaissances générales. On utilise de préférence une résine disponible dans le commerce comprenant un durcisseur qui remplit à la fois la fonction de durcisseur de la résine et la fonction de durcisseur de l’adhésif. On pourra ainsi utiliser une résine époxy comprenant un durcisseur amine dans laquelle le nombre de fonctions amine du durcisseur est en excès d’environ 25% par rapport au nombre de fonctions époxy. L’utilisation d’un tel produit permet d’éviter une étape d’ajout du durcisseur de l’adhésif, dans la mesure où le durcisseur de résine en excès participe à la réticulation du pré-polymère et à la formation de l’adhésif. Dans ce mode de réalisation, on observe la migration du durcisseur contenu en excédant dans la résine vers le pré-polymère, lors de l’injection de la résine dans la préforme tissée 3D. La formation de l’adhésif thermodurcissable et la formation de la matrice organique du deuxième composant sont déclenchées par élévation de la température au cours de la troisième étape de traitement thermique du procédé de l’invention. L’adhésif et la matrice sont avantageusement formés à la même température. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de l’invention est réalisé par moulage par transfert de résine, et comprend - une première étape de mise en place - dans un moule présentant la forme extérieure de la pièce multi-composant à réaliser - du premier composant et d’un renfort fibreux (pouvant également être désigné sous le terme de préforme), - une deuxième étape d’application sur le premier composant et sur le renfort fibreux d’un pré-polymère , - une troisième étape d’injection, dans le moule, d’une résine thermodurcissable susceptible de consolider le renfort fibreux, d’un durcisseur de la résine, et d’un durcisseur d’adhésif susceptible de faire réticuler le pré-polymère, - le chauffage du moule à une température suffisante pour former un adhésif par réaction du pré-polymère avec le durcisseur d’adhésif et pour former le deuxième composant en matériau composite par imprégnation du renfort fibreux avec la résine. –Dans un mode de réalisation particulier, le durcisseur de résine remplit la fonction de durcisseur d’adhésif. Le pré-polymère peut être chauffé à une température comprise entre 40°C et 80°C, avant d’être appliqué sur le premier composant et le renfort fibreux au cours de la deuxième étape. La résine, le durcisseur de la résine et éventuellement le durcisseur de l’adhésif (lorsqu’il est différent du durcisseur de la résine) peuvent être chauffés à une température allant de 100°C à 160°C, avant d’être injectés dans le moule au cours de la troisième étape. Le chauffage du moule peut être réalisé de façon séquentielle par paliers. L’homme du métier saura choisir la température de chaque palier, la durée des paliers et la vitesse de chauffe du moule, en fonction du dimensionnement du moule, de l’épaisseur de pré-polymère déposé, de la nature chimique du pré-polymère et de la nature chimique de la résine. L’étape de chauffage du moule peut être réalisée en chauffant le moule à une vitesse allant de 1 à 10°C/min jusqu’à un premier palier de température compris entre 100°C et 160°C et dont la durée est comprise entre 5 min et 30 min. Au premier palier peut succéder un deuxième palier situé à une température de 180°C, et dont la durée est comprise entre 1 et 3 heures. Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, la montée en température du moule est réalisée en deux temps. Une première rampe, pendant laquelle la résine et le durcisseur de la résine peuvent être injectés, permet d’atteindre une température palier maximale de 160°C environ. La première rampe est suivie d’une deuxième rampe de montée en température pour atteindre 180°C et permettre la formation de l’adhésif par réticulation du pré-polymère, et la consolidation du renfort fibreux par réticulation de la résine avec le durcisseur de la résine. Le procédé de l’invention permet avantageusement de réaliser l’injection de la résine et du durcisseur de la résine dans un moule à 160°C, et de supprimer le palier généralement réalisé entre 100°C et 130°C dans les procédés de l’art antérieur. Cette simplification du cycle thermique est rendue possible grâce à l’utilisation d’un pré-polymère qui n’est pas réactif pendant la montée en température du moule. Le moule peut être mis sous vide à une pression allant de 0,25 MPa à 2 MPa. Un gradient de pression peut être imposé dans la cavité du moule refermé, entre la buse d’injection de la résine et les orifices d'évacuation afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation du renfort fibreux par la résine. Selon un mode de réalisation particulier, le premier composant est en métal, et le deuxième composant comprend un renfort fibreux densifié par la matrice organique thermodurcissable. Le premier composant est par exemple un pied métallique. Le deuxième composant peut être un matériau composite à résine thermodurcissable comprenant un renfort fibreux, par exemple une préforme. Dans le cas d’un procédé de moulage par injection de résine, la préforme est placée dans la cavité du moule pour être densifiée par imprégnation du réseau fibreux avec un mélange liquide précurseur la matrice en résine thermodurcissable. La préforme est fabriquée à partir de différents matériaux tels qu’un tissu bidimensionnel (2D), un tissu tridimensionnel (3D), une tresse, un tricot, un feutre, une nappe unidirectionnelle (UD). La préforme peut être formée de plusieurs couches superposées de ces matériaux que l’on lie entre elles par couture, par un agent de liaison chimique, par implantation de fils, par implantation d'éléments rigides, ou par aiguilletage. Par exemple, une nappe multi-directionnelle (nD) peut être obtenue par superposition de plusieurs nappes unidirectionnelles positionnées selon des directions différentes et liées entre elles par aiguilletage. Les fibres du renfort fibreux sont notamment des fibres réfractaires, telles que des fibres en carbone, en aramide ou en verre. Dans un mode de réalisation, les fibres sont en carbone. La présente invention concerne en outre une pièce de structure multi-composant susceptible d’être obtenue par le procédé tel que décrit ci-dessus. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la pièce de structure multi-composant est destinée à l’aéronautique. Elle peut être en particulier une pièce de réacteur ou de turboréacteur, telle qu’une pale de réacteur. La pale comprend par exemple un longeron structural en matériau composite à matrice organique thermodurcissable, et un pied métallique servant de moyen de fixation à un moyeu central. Le turboréacteur peut être une soufflante, par exemple une soufflante non carénée (« open rotor » ou « propfan » en anglais). Procédé de fabrication d’une pièce de structure multi-composant comprenant un assemblage de plusieurs composants dont un premier composant et un deuxième composant assemblés par un adhésif thermodurcissable, le deuxième composant comprenant un matériau composite à matrice organique thermodurcissable, ledit procédé comprenant - une première étape d’application sur une surface du premier composant, d’un polymère non réticulé précurseur de l’adhésif thermodurcissable, et - une deuxième étape d’application, sur le polymère non réticulé, d’un durcisseur de l’adhésif, d’une résine précurseur de la matrice organique thermodurcissable et d’un durcisseur de la résine, - une troisième étape de traitement thermique de l’ensemble permettant de former le matériau composite et l’adhésif thermodurcissable qui assemble le premier composant au deuxième composant ainsi formé. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier composant est en métal, et en ce que le deuxième composant comprend un renfort fibreux densifié par la matrice organique thermodurcissable. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère non réticulé est appliqué de sorte à recouvrir la surface du premier composant d’un film ayant une épaisseur allant de 15 microns à 300 microns, de préférence allant de 15 microns à 150 microns. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine précurseur est une résine époxy, et en ce que le polymère non réticulé est un polymère aromatique comprenant des fonctions époxy en bout de chaîne. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère non réticulé est un homopolymère de l’éther diglycidylique de bisphénol-A (DGEBA). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine précurseur comprend du diglycidyléther de bisphénol-F (DGEBF). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le durcisseur de l’adhésif est le 9,9-Bis-(4-amino-3-chlorophenyl)-fluorène. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le durcisseur de la résine est le 9,9-Bis-(4-amino-3-chlorophenyl)-fluorène. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de structure multi-composant est une pale de réacteur. Pièce de structure multi-composant susceptible d’être obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.