BE1019293A5 - Procede et dispositif de moulage de pieces en materiau composite. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de moulage d'une pièce 1' en matériau composite. Ce procédé comporte une étape d'injection d'un liquide 7 à pression dans un moule 2 fermé contenant une préforme 1 fibreuse préalablement imprégnée de résine. Ledit liquide 7 entre en contact avec la résine mais est sensiblement inerte et immiscible par rapport à celle-ci. L'invention concerne aussi un dispositif pour exécuter ce procédé.

Description

“ Procédé et dispositif de moulage de pièces en matériau composite ”

La présente invention se rapporte à un procédé de moulage d’une pièce en matériau composite, ainsi qu’à un dispositif de moulage de pièces en matériau composite.

Par matériau composite, on entend ici spécifiquement un matériau comportant une matrice plastique, en résine thermodurcissable ou thermoplastique et, dans cette matrice, des fibres de renfort.

Plusieurs procédés sont connus de l’homme du métier pour fabriquer des pièces en matière composite. Traditionnellement, la fabrication de telles pièces comporte un préformage, suivi d’un moulage.

Dans le préformage, les fibres de renfort, normalement présentées sous forme de bandes de fibres unidirectionnelles, de tissus ou de textiles non-tissés sont typiquement empilées par couches pour constituer un stratifié d'une forme géométrique et d’une épaisseur définies. Cet empilement peut être réalisé manuellement ou par une machine. Suivant les circonstances, ces couches peuvent être imprégnées de résine liquide avant le préformage, pendant le préformage ou après le préformage.

Plusieurs procédés de moulage ont été proposés. Un de ces procédés est le moulage par enveloppe à vide. Dans ce procédé de moulage, afin d’extraire les composants gazeux de la résine avant qu’elle ne durcisse, notamment lorsqu’il s’agit d’une résine thermodurcissable, le renfort fibreux empilé et imprégné de résine est mis à vide dans une enveloppe fermée. Lorsque la résine est thermodurcissable, la mise en forme finale de la pièce peut être réalisée dans un autoclave, cette dernière est ainsi soumise à une pression externe à l’enveloppe afin d’éviter l’apparition de bulles de gaz durant la cuisson de la pièce.

Ce procédé de moulage présente plusieurs inconvénients. Notamment, il est très artisanal : il ne permet pas une production en ligne (enfournement, détournement nécessaires). Il est coûteux à exécuter à grande échelle : les autoclaves sont énergivores et nécessitent de nombreux consommables. Par ailleurs, ils ne permettent pas la production aisée de pièces complexes et intégrées ce qui conduit à la production de pièces élémentaires qui devront souvent être ajustées avant d’être intégrées lors d’une opération d’assemblage ultérieure. Le moulage en autoclave impose aussi des cycles de cuisson longs. Finalement, les autoclaves sont des dispositifs très chers.

Afin de mieux intégrer la production de pièces en matériaux composites dans des lignes de production de grandes séries, d’autres procédés de moulage ont été développés, notamment le procédé RTM (pour « Resin Transfer Molding », moulage par transfert de résine). Dans le procédé RTM, une préforme fibreuse sèche ou faiblement imprégnée (typiquement 5% en volume de résine «binder») est introduite dans un moule. Ensuite la résine est injectée dans le moule après que l’air et des vapeurs éventuelles en aient été évacués. Ce procédé permet notamment une production en ligne des pièces en matériaux composites. Par le procédé RTM, on obtient dans un moule fermé, sans recours à un autoclave coûteux, des pièces ne nécessitant que peu d’ajustement et d’assemblage et qui peuvent être très intégrées. Par ailleurs, en RTM la préforme peut être plus élaborée. Les préformes peuvent par exemple être combinées avec des éléments métalliques, ou composites préalablement cuits, ces derniers pouvant être enduits d’un film de colle.

L’injection subséquente de la résine et sa cuisson consolide tous ces éléments en une seule pièce très élaborée.

Le procédé RTM présente toutefois aussi des inconvénients. Notamment, il peut être difficile d’assurer une imprégnation complète des pièces présentant des formes complexes ou d’une grande taille. Pour cette raison seulement des résines de viscosité basse sont normalement compatibles avec ce procédé.

Des résines ont été proposées pour produire des pièces de haute résilience. Comme ces résines comportent des additifs tels que des charges, des résines thermoplastiques, ou même des nanoparticules, leurs viscosités sont comparativement élevées, ce qui les rend normalement incompatibles avec le procédé RTM.

Pour résoudre ce problème, la société Radius Engineering a développé le procédé SQRTM (« Same Qualified Resin Transfer Molding »), décrit par D.Milovitch et Richard Nord interrogés par Karel Fisher Mason dans l’article “Autoclave quality outside autoclave ?”, High-Performance Composites, Mars 2006. Dans ce procédé SQRTM, la préforme insérée dans le moule est déjà préalablement imprégnée de résine. Ainsi, une fois que le moule est fermé, seulement une petite quantité supplémentaire de résine doit être injectée autour de la pièce pour exercer la pression hydrostatique qui est nécessaire pour consolider la préforme dans le moule et éliminer les bulles de gaz pouvant se former pendant le durcissement de la résine.

Bien que ce procédé présente des avantages clairs par rapport au procédé RTM classique, et même par rapport à d’autres procédés dérivés, tel que le RTM assisté par succion (VARTM, « Vacuum Assisted RTM »), il présente aussi des inconvénients. Certains de ces inconvénients sont partagés avec d’autres procédés RTM, notamment le danger de blocage par durcissement de la résine dans la pompe ou les canaux d’injection de la résine dans la cavité du moule. D’autres inconvénients sont spécifiques au procédé SQRTM. En particulier dans le domaine aérospatial, il est crucial que la résine soit qualifiée pour une telle utilisation. L’accès à la même résine que celle présente dans la préforme préimprégnée n’est pas toujours aisé. Les fabricants de telles résines qualifiées ne livrent normalement cette résine que sous la forme de préimprégné. Ces résines, formulées pour les préimprégnés destinés au procédé autoclave sont difficiles à utiliser, car en absence de fibres elles sont plus réactives: leur transport est donc très délicat et les risques d’un emballement de la réaction lors de l'injection SQRTM est beaucoup plus élevé qu’avec les résines RTM.

D’autres procédés de production de pièces en matériau composite ont été proposés, utilisant d’autres moyens pour exercer une pression hydrostatique sur une préforme pré-imprégnée installée dans la cavité d’un moule fermé. Notamment, dans la demande de brevet français FR 2472968 A, un fluide différent de la résine est injecté dans cette cavité. Toutefois, afin de protéger la préforme et la résine de ce fluide, elles sont séparées du fluide par une membrane flexible. Ceci complique la manipulation de la préforme et l’entretien du moule. En outre, une rupture ou fuite dans la membrane flexible aurait des conséquences sérieuses dans la qualité des pièces produites.

Dans le brevet américain US 5,051,226, un liquide, de préférence inerte, est employé pour compresser une préforme imprégnée contre un moule. Toutefois, le moule est un moule ouvert, et il y est aussi suggéré de protéger la préforme avec une barrière pour empêcher la contamination de la résine. Le liquide a par ailleurs aussi le rôle de chauffer la préforme pour sa cuisson.

Un objet de la présente invention est de fournir un procédé plus polyvalent et moins coûteux pour le moulage de pièces en matériau composite, tout en préservant les avantages des procédés RTM et SQRTM en ce qui concerne la qualité des pièces résultantes.

Pour cela, dans un mode de réalisation de l’invention, un liquide est injecté à pression dans un moule fermé contenant une préforme fibreuse, préalablement imprégnée de résine, ledit moule forme une cavité épousant étroitement les contours de la préforme, ledit liquide étant sensiblement inerte et immiscible par rapport à ladite résine.

L’utilisation de ce liquide permet ainsi d’exercer une pression isostatique sur la préforme imprégnée de résine afin de la consolider sans risque sensible de contamination de la résine, et cela sans nécessité de barrière physique entre la résine et ce liquide. On supprime aussi le risque d’une réaction exothermique potentiellement dangereuse.

Un autre objet de la présente invention est celui d’assurer le maintien d’une pression isostatique sur une préforme imprégnée de résine thermodurcissable pendant la cuisson de la résine.

Avec cet objet, dans un procédé suivant un mode de réalisation de la présente invention particulièrement avantageux, la résine peut être thermodurcissable, et le procédé comporter aussi une étape de cuisson de la résine pendant laquelle ledit liquide est maintenu à une pression de cuisson. De cette manière, la pression de cuisson peut être exercée sur la préforme de manière isostatique, sans autoclave coûteux et sans les inconvénients liés aux procédés RTM et SQRTM, notamment le risque de blocage du circuit d’injection et les restrictions de viscosité de la résine. La pression isostatique peut par ailleurs être maintenue au-delà du gel de la résine.

Avantageusement, ladite pression de cuisson peut être d’au moins 500 kPa, exerçant ainsi une pression comparable à celle obtenue dans des autoclaves ou dans des procédés RTM.

Avantageusement, ladite résine peut être cuite à au moins 100°C, de manière à pouvoir utiliser des résines existantes déjà homologuées pour applications aéronautiques, et dont la température de cuisson est supérieure à 100°C.

Avantageusement, ladite résine thermodurcissable peut présenter une viscosité minimale d’au moins 500 cP. Ainsi, des résines thermodurcissables présentant des viscosités élevées les rendant inaptes aux procédés RTM classiques, par exemple à cause d’additifs ou de charges, peuvent être utilisées dans le procédé de l’invention.

Avantageusement, ladite résine thermodurcissable peut être une résine époxy ou bismaleimide (BMI). Par exemple, les résines commercialisées sous les dénominations HexPIy® 8552, Hexply® M21, Hexply® M21E, CYCOM® 977-2, CYCOM® 5250-4 BMI, ou Toray® 3900-2, et homologuées pour des applications aéronautiques pourraient être utilisées dans ce procédé.

Un autre objet de la présente invention est de permettre la réutilisation subséquente du liquide injecté dans la cavité. Pour cela, un procédé suivant l’invention peut avantageusement comporter, après ladite étape de cuisson, une étape subséquente dans laquelle ledit liquide est extrait de la cavité avant d’ouvrir le moule. Dans un mode de réalisation d’un dispositif de production de pièces en matériau composite suivant l’invention, le circuit d’injection de liquide à pression dans la cavité peut comporter une pompe réversible.

Avantageusement, ledit liquide peut présenter une viscosité de moins de 250 cP pendant l’étape d’injection. Ainsi, des conduits et orifices d’injection de moindre calibre que dans le procédé SQRTM pourront éventuellement être utilisés. La vitesse d’injection pour la mise en pression de la pièce pourra être aussi plus rapide qu’avec les résines SQRTM, facilitant ainsi le moulage de grandes pièces.

Avantageusement, ledit liquide peut être un polymère liquide, en particulier de basse masse moléculaire comme une cire oléfinique, et en particulier une cire comprenant au moins un homopolymère d’éthylène. De telles cires sont couramment utilisées comme agents de démoulage. Ainsi, leur utilisation peut aussi permettre un démoulage facile de la pièce après l’ouverture du moule. En outre, elles peuvent être facilement stockées et transportées, ont une durée de vie sensiblement illimitée, sont sensiblement hydrophobes. La pénétration de ce liquide dans la pièce, si elle se produit devrait être facilement détectée par des tests non destructifs puisqu’il doit induire de par sa nature « non adhésive » à la résine, une délamination. Sa plus faible conductivité thermique pourrait aussi permettre sa détection par thermographie.

Parmi les cires oléfiniques, celles comportant un homopolymère d’éthylène sont particulièrement avantageuses, puisque ce polymère qui a une distribution de masse moléculaire comparativement étroite présente des propriétés plus contrôlées. De cette manière on peut plus facilement s’assurer que le liquide ou une fraction de ce liquide ne se mette pas à bouillir ou à s’enflammer (flash point) aux hautes températures et sous les niveaux de vide utilisés.

Avantageusement, le liquide peut comprendre un traceur, tel qu’un colorant, afin de permettre aux systèmes de contrôle de qualité de détecter des éventuelles inclusions de ce liquide dans la résine par simple inspection visuelle ou par des techniques microscopiques. Des détails concernant un mode de réalisation de l'invention sont décrits ci-après faisant référence aux dessins.

La figure 1 illustre une première étape d’un procédé suivant un mode de réalisation de l’invention, dans laquelle une préforme fibreuse, préalablement imprégnée de résine thermodurcissable, est installée dans la cavité d’un moule.

La figure 2 illustre une deuxième étape, dans laquelle la cavité est dégazée.

La figure 3 illustre une troisième étape, dans laquelle un liquide est injecté dans ladite cavité.

La figure 4 illustre une troisième étape du même procédé, dans laquelle la résine est cuite.

La figure 5 illustre une quatrième étape du même procédé, dans laquelle le liquide est extrait de la cavité avant de rouvrir le moule pour en extraire une pièce en matériau composite.

Dans une première étape du procédé illustré, comme on peut voir sur la figure 1, une préforme fibreuse 1 de la pièce à produire, préalablement imprégnée d’une résine, est installé dans une cavité 4 d’un moule 2 en position ouverte.

Dans un procédé ou un dispositif suivant l’invention, la préforme peut avoir été produite par tout procédé connu de l’homme du métier. Elle peut comporter des fibres continues et/ou des fibres courtes (non tissées), et ces fibres peuvent être, par exemple, des fibres de carbone, verre et/ou aramide, parmi d’autres. La résine imprégnant la préforme peut être une résine thermodurcissable à haute viscosité, comme les résines commercialisés sous les dénominations HexPIy® 8552, HexPIy® M21, HexPIy® M21E, CYCOM® 977- 2, CYCOM® 5250-4 BMI, Toray® 3900-2, ou autres résines epoxy ou bismaleimide similaires, et qui, bien que présentant l’avantage d’une très bonne résistance mécanique après cuisson, ne sont normalement pas applicables en procédé RTM à cause de leur haute viscosité, typiquement supérieure à 500 cP.

Le moule 2 est de préférence un moule métallique, par exemple en acier, en aluminium ou en un alliage présentant un bas coefficient d’expansion thermique, tel que le FeNi36 (Invar®) ou autres alliages fer-nickel similaires. Alternativement, toutefois, un moule en matériau composite pourrait aussi être utilisé.

Le moule 2 présente aussi des canaux 10 connectés à la cavité 4, à un conduit 5 d’évacuation de gaz, et à un conduit 9 d’injection de liquide. Le conduit d’évacuation 5 est connecté à une pompe d’extraction 6, et le conduit d’injection 9 est connecté à une pompe à piston 8 remplie d’un liquide 7.

Dans le mode de réalisation illustré, ce liquide est une cire oléfinique liquide inerte et immiscible par rapport à la résine. Elle ne bout pas et ne s’enflamme pas aux niveaux de vide et de pression imposés par le procédé. On choisit, dans le mode de réalisation illustré, une cire présentant un point de fusion d’environ 90°C, de telle manière que, bien qu’injectée à l’état liquide dans le moule 2, elle puisse être stockée et transportée à l’état solide à température ambiante. À la température d’injection, toutefois, cette cire liquide 7 peut présenter une basse viscosité, typiquement de moins de 250 cP et sensiblement inférieure à celle de la résine.

Dans l’exemple illustré sur la figure 1, un noyau de moulage amovibles 3 est introduit dans la préforme 1, afin de permettre la production d’une pièce en matériau composite avec une géométrie complexe. Ce noyau 3 présente aussi des canaux 10 en communication avec les conduits 5 et 9. Le moule 2 peut alors être fermé, formant une cavité épousant étroitement les contours de la préforme 1. La préforme 1 est normalement imprégnée avec un excès de résine, de telle manière que lors de la fermeture du moule 2, cet excès de résine est chassé vers les bords de la préforme 1.

Comme illustré sur la figure 2, les gaz sont alors évacués du moule 2 , du conduit 9 et de la pompe 8 remplie de liquide 7 par la pompe d’extraction 6 à travers le conduit d’évacuation 5 , de manière à mettre tout le dispositif sous vide. Par « vide » on entend bien sûr une sous-pression sensible, et non pas nécessairement un vide absolu. Cette sous-pression doit toutefois permettre de minimiser la quantité et taille d’éventuelles bulles de gaz dans le liquide 7, dans la préforme 1 imprégnée de résine et dans la cavité 4, et ainsi la porosité subséquente des pièces finies.

La cavité 4 est alors chauffée par des moyens de chauffage (non illustrés) qui peuvent inclure, par exemple, un dispositif de chauffage électrique et/ou bien un circuit de fluide chaud, afin d’atteindre la température requise pour la mise en œuvre de la résine et le cycle de cuisson choisis. Ces dispositifs de chauffe peuvent être externes au moule 2, tels que par exemple une presse chauffante, ou inclus dans la masse du moule 2. Le liquide 7 est alors injecté à pression dans le moule 2 par la pompe à piston 8 via le conduit d’injection 9, comme illustré sur la figure 3, jusqu’à entrer en contact avec la résine de la préforme 1 à travers les canaux 10, et y exercer une pression hydrostatique, comme illustré sur la figure 4. Une vanne 11 dans le conduit 5 est fermée lorsque le liquide 7 est détecté dans le conduit 5.

Avec le moule 2 rempli de liquide 7, la pompe à piston 8 maintient une pression entre 500 et 1500 kPa pendant le cycle de cuisson de la résine. On maintient aussi dans le moule 2 les hautes températures nécessaires pour cette cuisson.

Une fois le cycle de cuisson finalisé, la pompe à piston 8 opère en inverse pour extraire la cire encore liquide du moule 2, comme illustré sur la figure 5. Ceci permettra de réutiliser ultérieurement cette cire dans des cuissons subséquentes. Dans un mode de réalisation alternatif, la cire liquide pourrait aussi être évacuée du moule 2 par le conduit 5. Une fois que la cire liquide est évacuée du moule 2, le moule 2 peut être rouvert afin d’en extraire la pièce cuite 1’ en matériau composite. Cette pièce V sera d’autant plus facilement démoulée que les cires oléfiniques sont typiquement utilisées comme agents de démoulage.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans modifier la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. Par exemple, des liquides alternatifs aux cires oléfiniques pourraient être considérés par une personne du métier. Le procédé et le dispositif de l’invention pourraient aussi être utilisés avec d’autres résines et fibres que celles spécifiquement citées, ainsi que d’autres types de pompes, comme par exemple des pompes à vis. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (28)

1. Procédé de moulage d’une pièce (1’) en matériau composite, comportant une étape d’injection d’un liquide (7) à pression dans un moule (2) fermé contenant une préforme (1) fibreuse préalablement imprégnée de résine, et caractérisé en ce que ledit moule (2) forme une cavité épousant étroitement les contours de la préforme (10) et en ce que ledit liquide (7) entre en contact avec la résine et est sensiblement inerte et immiscible par rapport à ladite résine.

2. Procédé de moulage suivant la revendication 1, dans lequel ladite résine est une résine thermodurcissable, le procédé comportant en outre une étape de cuisson de la résine pendant laquelle ledit liquide (7) est maintenu à une pression de cuisson.

3. Procédé de moulage suivant la revendication 2, dans lequel ladite pression de cuisson est d’au moins 500 kPa.

4. Procédé de moulage suivant les revendications 2 ou 3, dans lequel ladite résine est cuite à au moins 100°C.

5. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel ladite résine thermodurcissable présente une viscosité minimale d’au moins 500 cP.

6. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel ladite résine thermodurcissable est une résine époxy ou bismaleimide.

7. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications 2 à 6, comportant en outre, après ladite étape de cuisson, une étape subséquente dans laquelle ledit liquide (7) est extrait du moule (2) avant de l’ouvrir.

8. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide (7) présente une viscosité de moins de 250 cP pendant l’étape d’injection.

9. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide (7) comprend principalement un polymère liquide.

10. Procédé de moulage suivant la revendication 9, dans lequel ledit polymère liquide est une cire oléfinique.

11. Procédé de moulage suivant la revendication 10, dans lequel ladite cire oléfinique comprend un homopolymère d’éthylène.

12. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de fusion dudit liquide à pression ambiante est de moins de 100°C.

13. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide (7) comprend un traceur.

14. Procédé de moulage suivant la revendication 13, dans lequel ledit traceur est un colorant.

15. Procédé de moulage suivant une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la préforme (1) et le liquide (7) sont mis sous vide avant l’injection dudit liquide (7).

16. Dispositif de moulage de pièces en matière composite, comportant : un moule (2) pouvant être fermé et ouvert et présentant, en position fermée une cavité (4) de moulage contenant une préforme (1) fibreuse préalablement imprégnée de résine, un circuit de dégazage, et un circuit d’injection de liquide à pression dans le moule (2), caractérisé en ce que ledit moule (2) forme une cavité épousant étroitement les contours de la préforme (10) et en ce que ledit circuit d’injection de liquide contient un liquide (7) sensiblement inerte et immiscible par rapport à ladite résine.

17. Dispositif suivant la revendication 16, dans lequel ladite résine est une résine thermodurcissable, le dispositif comportant des moyens de chauffage de la cavité (4) pour la cuisson de la résine.

18. Dispositif suivant la revendication 17, dans lequel ladite résine thermodurcissable présente une viscosité minimale d’au moins 500 cP.

19. Dispositif suivant une quelconque des revendications 17 ou 18, dans lequel ladite résine thermodurcissable est une résine époxy ou bismaleimide.

20. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 19, dans lequel ledit circuit d’injection de liquide comporte une pompe (8) réversible permettant tant l’injection du liquide (7) dans le moule (2) que son extraction du moule (2) fermé.

21. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 20, dans lequel ledit liquide (7) présente une viscosité de moins de 250 cP.

22. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 21, dans lequel dans lequel ledit liquide (7) comprend principalement un polymère liquide.

23. Dispositif suivant la revendication 22, dans lequel ledit polymère liquide est une cire oléfinique.

24. Dispositif suivant la revendication 23 dans lequel ladite cire oléfinique comprend un homopolymère d’éthylène.

25. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 24, dans lequel la température de fusion dudit liquide à pression ambiante est de moins de 100°C.

26. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 25, dans lequel ledit liquide comprend un traceur.

27. Dispositif suivant la revendication 26, dans lequel ledit traceur est un colorant.

28. Dispositif suivant une quelconque des revendications 16 à 27, dans lequel ledit circuit de dégazage comporte une pompe à vide.