EP0581635A1

EP0581635A1 - Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composité à matrice non organique

Info

Publication number: EP0581635A1
Application number: EP93401806A
Authority: EP
Inventors: Eric Sixdeniers; Dario Forti
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1993-07-12
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2013-07-12
Also published as: FR2694931B1; EP0581635B1; FR2694931A1; DE69318639T2; DE69318639D1

Abstract

Pour fabriquer une pièce en matériau composite à matrice non organique, on réalise tout d'abord un film souple (18), formé de mèches étalées (10) de filaments parallèles (11) revêtus d'un matériau apte à former la matrice, ces filaments étant reliés par un liant provisoire rigidifié, tel que du polystyrène. On drape ensuite des nappes découpées dans le film souple (18), pour former un empilement (20) à partir duquel on réalise une préforme (24) dont l'épaisseur et la forme sont intermédiaires entre celles de l'empilement (20) et celles de la pièce (26) à réaliser. Enfin, on soumet la préforme (24) à un cycle thermomécanique final permettant d'obtenir la pièce (26) et de dégrader le liant provisoire. Pour réaliser la préforme (24), on chauffe l'empilement jusqu'à une température de collage du liant provisoire, on le soumet à une action mécanique de compactage et/ou de formage, et on le refroidit jusqu'au durcissement du liant, tout en maintenant l'action mécanique. <IMAGE>

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, à partir de mèches formées de filaments d'un matériau organique tel que du carbone ou une céramique, et d'un matériau non organique tel qu'un métal ou un alliage métallique, en vue de réaliser une pièce en matériau composite à matrice non organique.
Pour réaliser des pièces en matériau composite à matrice non organique, on dispose habituellement de mèches étalées, enroulées sur des bobines avec des séparateurs intercalaires. Ces mèches étalées sont formées de filaments parallèles en un matériau organique tel que du carbone ou une céramique, revêtus d'un matériau non organique destiné à former la matrice du matériau composite. Ce matériau non organique est constitué soit par un métal, soit par un alliage métallique.
Les filaments sensiblement parallèles qui forment la mèche étalée donnent à cette dernière un caractère discontinu qui rend particulièrement difficile sa préhension et, par conséquent, sa mise en oeuvre lors de la fabrication d'une pièce en matériau composite. En particulier, il est difficile, sinon impossible, de découper et de draper des mèches de carbone étalées et métallisées.
Par ailleurs, en supposant que la découpe et le drapage des mèches étalées puissent être réalisés, la réduction d'épaisseur qui accompagne le cycle thermomécanique final permettant d'obtenir la pièce en matériau composite à partir de l'empilement de mèches étalées conduit inévitablement, dans le cas de pièces non planes, à la rupture d'une partie des filaments. Par conséquent, la pièce composite obtenue est endommagée et ne répond pas aux exigences de qualité requises.
On connaît du document FR-A-2 437 296 un procédé de fabrication d'un matériau composite à matrice métallique, dans lequel on enroule, en hélice sur un mandrin, une mèche de filaments, non étalée, puis on plonge le mandrin dans une suspension de poudre métallique dans un solvant pur. Après séchage à température ambiante, le mandrin est immergé dans un bain d'une poudre métallique dispersée dans une solution polymère-solvant. Un séchage à l'air permet d'obtenir un précomposite en forme de feuille, que l'on découpe et que l'on empile. L'empilement est ensuite laminé à froid pour former un feuilleté. Ce feuilleté est placé dans le moule d'une presse où il est chauffé sous vide, de façon à éliminer le solvant et à décomposer le polymère. L'application d'un cycle thermomécanique permet d'obtenir la pièce désirée.
Dans ce procédé connu, le polymère constitue un liant provisoire qui permet d'obtenir un précomposite en forme de feuille dont la manutention et la découpe sont facilitées. Cependant, l'utilisation d'un tel liant provisoire pour former un film extrêmement mince à partir d'une mèche de filaments, étalée, n'est pas envisagée.
Dans le document FR-A-2 437 296, le feuilleté est obtenu par laminage à froid de l'empilement de feuilles. Le liant provisoire reste à l'état rigide lors de cette opération de laminage à froid. Par conséquent, les filaments risquent de se rompre si la pièce à fabriquer présente une forme complexe (demi-coquille, calotte, etc.).
Dans le cas particulier d'une pièce tubulaire, le document FR-A-2 366 904 propose de placer dans un moule chauffé un empilement de feuilles formées de fibres réfractaires noyées dans une matrice métallique. Le moule comprend une vessie interne expansible et une empreinte femelle indéformable, permettant d'appliquer un cycle thermomécanique déterminé sur l'empilement. Les filaments de chacune des feuilles de l'empilement peuvent être liés entre eux par une colle polymérisée. Préalablement à l'application du cycle thermomécanique, la colle est pyrolysée par un premier chauffage du moule.
L'invention a principalement pour objet un procédé permettant de fabriquer des pièces en matériau composite à matrice non organique de formes quelconques, éventuellement complexes, en préservant la continuité des filaments et, par conséquent, les caractéristiques mécaniques des pièces.
Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice non organique, comprenant les étapes suivantes :

formation d'une nappe à partir de mèches de filaments et d'un matériau apte à former ladite matrice ;
imprégnation des mèches de la nappe par un liant provisoire, dissous dans un solvant ;
évaporation du solvant par chauffage, de façon à conditionner la nappe sous la forme d'une feuille souple ;
découpage de morceaux dans la feuille souple ;
drapage de ces morceaux, de façon à former au moins un empilement ;
réalisation d'une préforme d'épaisseur et de forme intermédiaires entre l'épaisseur et la forme de l'empilement et l'épaisseur et la forme de la pièce à fabriquer ;
application d'un cycle thermomécanique sur la préforme, de façon à donner à cette dernière l'épaisseur et la forme de la pièce à fabriquer, et à dégrader le liant provisoire ;

Lorsque le drapage a été effectué, le liant provisoire, chauffé à une température appropriée lors du cycle thermique, se comporte comme une colle qui permet de réaliser une préforme, en une ou plusieurs étapes, avant d'amener la pièce à sa forme définitive lors du cycle thermomécanique final. Le passage de la pièce par une ou plusieurs formes intermédiaires avant sa mise en forme finale permet aux filaments de prendre leur place progressivement, ce qui autorise la fabrication de pièces de formes complexes, sans rupture de filaments et permet d'utiliser un outillage moins coûteux pour appliquer le cycle thermomécanique final.
Par ailleurs, l'imprégnation des mèches par un liant provisoire, permet de conditionner ces mèches sous la forme d'une feuille souple formée de plusieurs mèches juxtaposées, qui rend la découpe et le drapage extrêmement faciles. Pour permettre la réalisation d'un film souple de grande largeur, l'étape d'imprégnation est précédée avantageusement d'une étape de bobinage de mèches étalées sur un mandrin, pour former une couche de filaments parallèles juxtaposés.
On observe également que le cycle thermomécanique qui permet d'obtenir la pièce définitive a aussi pour effet de dégrader le liant provisoire, c'est-à-dire de le décomposer afin de faciliter son aspiration hors de la pièce par un balayage gazeux ou par du vide. Dans certains cas, le liant provisoire dégradé peut aussi rester emprisonné dans la pièce. Toutefois, il n'y joue alors aucun rôle.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le liant provisoire est un liant thermoplastique tel que du polystyrène.
Le chauffage de l'empilement est alors effectué à une température de collage comprise entre environ 160° et environ 280°C.
Selon la forme et l'épaisseur de la pièce que l'on désire réaliser, l'action mécanique exercée sur l'empilement afin de réaliser la préforme peut être de différentes natures. Ainsi, il peut s'agir d'une ou plusieurs actions de compactage, suivies ou non d'une ou plusieurs actions de mise en forme.
Dans le cas particulier où la pièce à réaliser est de forme tubulaire, on peut réaliser soit un empilement tubulaire unique, soit au moins deux empilement tubulaires séparés. Dans ce dernier cas, on réalise la préforme en exerçant une action mécanique de compactage sur un premier empilement tubulaire, à la température de collage du liant provisoire, en refroidissant le premier empilement tubulaire ainsi compacté, en disposant coaxialement ce premier empilement tubulaire compacté et un deuxième empilement tubulaire, en exerçant une nouvelle action mécanique de compactage à la température du collage du liant provisoire, en refroidissant le premier et le deuxième empilements tubulaires ainsi compactés, et en renouvelant ces opérations jusqu'à ce que tous les empilements tubulaires réalisés précédemment soient compactés.
Toujours dans le cas d'une pièce tubulaire, on réalise le drapage sur une vessie expansible formant l'élément intérieur d'un moule de compactage, et on exerce une action mécanique de compactage sur l'empilement par gonflage de ladite vessie. En outre, on applique une action mécanique de compactage sur la préforme en plaçant cette dernière sur une vessie expansible formant l'élément intérieur d'un moule de consolidation, et en gonflant ladite vessie. La vessie expansible du moule de consolidation est avantageusement réalisée en acier inoxydable, afin de pouvoir supporter les fortes pressions mises en oeuvre sans risque d'éclatement.
Lorsque le matériau destiné à former la matrice de la pièce le justifie, notamment en raison de son caractère oxydable, on intègre à l'empilement au moins une feuille de protection superficielle, lors du drapage.
De préférence, on imprègne par le liant provisoire des mèches étalées de filaments parallèles, de telle sorte que l'évaporation du solvant conditionne ces mèches étalées sous la forme d'un film souple dans lequel les filaments parallèles sont reliés par le liant provisoire rigidifié.
Avantageusement, l'étape d'imprégnation est précédée d'une étape de bobinage des mèches étalées sur un mandrin, pour former une couche de filaments parallèles juxtaposés.
Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, le cycle thermomécanique comprend une première phase de dégradation du liant provisoire, au cours de laquelle la température est amenée et maintenue à un premier palier, sans action mécanique sur la préforme, et une deuxième phase de consolidation, au cours de laquelle la température est amenée et maintenue à un deuxième palier, supérieur au premier, et une action mécanique de compression est appliquée sur la préforme.
Lorsqu'il a été dégradé, le liant provisoire est avantageusement évacué hors de la pièce soit par un balayage gazeux, soit par le vide.
On décrira à présent, de façon non limitative, deux exemples de mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 illustre schématiquement les étapes successives du procédé selon l'invention, dans le cas où la pièce à fabriquer est une demi-coquille présentant une section en forme d'Ω ;
la figure 2 illustre schématiquement la phase de compactage du procédé selon l'invention, dans le cas où la pièce à fabriquer est de forme tubulaire ; et
la figure 3 est une vue en coupe longitudinale représentant un moule utilisable lors du cycle thermomécanique final qui suit la phase de compactage illustrée sur la figure 2.

Comme on l'a indiqué précédemment, le procédé de fabrication conforme à l'invention s'applique à la fabrication de pièces en matériau composite à matrice non organique, à partir de mèches étalées de filaments organiques tels que des filaments de carbone ou de céramique, revêtus d'un matériau non organique tels qu'un métal ou un alliage métallique destiné à former la matrice du matériau composite.
La première phase de ce procédé de fabrication permet de conditionner les mèches étalées, sous forme d'un film souple, en vue de faciliter la découpe et le drapage ultérieurs de ces mèches.
Pour réaliser ce conditionnement préalable, on dispose de mèches étalées 10, formées par exemple de filaments 11 de carbone sensiblement parallèles entre eux et métallisés. Ces mèches étalées sont enroulées sur des bobines de stockage, en même temps qu'un séparateur intercalaire qui empêche les filaments des couches successives de s'emmêler. A titre d'exemple, la largeur de la mèche étalée peut être d'environ 40 mm.
Comme l'illustre schématiquement la figure 1, une première étape consiste à revêtir un mandrin 12 d'une tôle d'interface 13.
Au cours d'une deuxième étape visant à obtenir une nappe de grande largeur, la mèche étalée 10 est bobinée bord à bord ou avec recouvrement sur le mandrin 12, revêtu de la tôle d'interface 13, comme l'illustre schématiquement la figure 1. On obtient ainsi une nappe de filaments 11 parallèles juxtaposés, formant une couche unique de filaments sur le mandrin 12.
Au cours d'une troisième étape de la première phase du procédé de fabrication selon l'invention, la tôle d'interface 13 portant la nappe de filaments 11 est déployée et mise à plat. Pour permettre cette opération, la tôle et les filaments sont coupés selon une génératrice du mandrin.
Comme on l'a illustré schématiquement sur la figure 1, la nappe de filaments 11 reposant sur la tôle d'interface 13 est ensuite imprégnée par un liant provisoire, dissous dans un solvant. On peut utiliser à cet effet une buse 14. Dans l'exemple de réalisation considéré, le liant provisoire est un liant de type thermoplastique tel que du polystyrène, qui a pour avantages d'utiliser un solvant (le toluène) de toxicité réduite, de permettre le contrôle de la viscosité de la solution obtenue, de pouvoir être mis en oeuvre à basse température et d'être suffisamment rigide à température ambiante. A titre d'exemple, environ 100 g de polystyrène peuvent être dissous dans un litre de toluène.
Lorsque l'imprégnation de la nappe de filaments 11 reposant sur la tôle d'interface 13 est terminée, la nappe imprégnée est soumise à un cycle thermique comme on l'a illustré par la flèche 16 sur la figure 1. Ce cycle thermique, effectué à pression atmosphérique, a pour but d'évaporer le solvant, c'est- à-dire le toluène dans l'exemple considéré. Il consiste à chauffer la nappe de filaments 11 imprégnés de la solution de polystyrène à une température d'environ 120°C.
L'évaporation du toluène a pour conséquence de redonner au polystyrène sa rigidité lorsqu'on redescend à la température ambiante. Le polystyrène assure alors une cohésion entre les filaments 11 de la nappe reposant sur la tôle d'interface 13. Par conséquent, lorsque le cycle thermique est terminé, la nappe de filaments 11 séparée de la tôle d'interface 13 se comporte comme un film souple 18, de très faible épaisseur, formé de filaments parallèles juxtaposés 11, reliés entre eux par le polystyrène. Ce conditionnement des filaments sous la forme d'un film souple permet de les découper et de les manipuler facilement lors de la mise en oeuvre ultérieure du procédé, ce qui n'était pratiquement pas possible auparavant.
La deuxième phase du procédé de fabrication selon l'invention consiste à réaliser une préforme à l'aide du film souple obtenu précédemment. L'obtention de cette préforme est permise pour des pièces de formes quelconques, éventuellement complexes, par la présence du liant provisoire tel que du polystyrène qui est associé aux filaments 11 dans le film souple 18. En effet, lorsque le polystyrène est chauffé à une température comprise entre environ 160°C et environ 280°C, il se comporte comme une colle qui permet de maintenir les unes par rapport aux autres les différentes nappes superposées découpées dans le film souple et de donner à l'empilement ainsi formé l'épaisseur et la forme désirées. On comprend que la réalisation d'une préforme d'épaisseur et de forme intermédiaires entre l'épaisseur et la forme de l'empilement initial et l'épaisseur et la forme de la pièce à fabriquer facilite la mise en forme des filaments et limite donc très sensiblement les risques de rupture de ces filaments lors de la fabrication de la pièce, même lorsque cette dernière est de forme complexe (demi-coquille, calotte, etc.).
Cette phase de fabrication d'une préforme débute par des étapes de découpe et de drapage du film 18, pour former un empilement 20 de nappes superposées. Plus précisément, chacune des nappes de l'empilement est découpée dans le film souple 18 et les filaments qu'elle contient sont orientés selon une direction déterminée, qui prend en compte les caractéristiques mécaniques de la pièce que l'on désire réaliser. Dans une disposition classique, les filaments des couches adjacentes peuvent notamment être orientés à des angles qui diffèrent d'environ 45° d'une couche à l'autre.
Selon la forme de la pièce que l'on désire réaliser, l'empilement 20 peut être réalisé soit par drapage sur une surface plane comme l'illustre schématiquement la figure 1, soit par drapage sur une surface de forme différente, telle qu'un mandrin cylindrique lorsqu'on désire réaliser une pièce de forme tubulaire, comme on le verra ultérieurement.
Lorsque cette opération de drapage est terminée, on procède à la réalisation d'une préforme en soumettant l'empilement 20 à un cycle thermique accompagné d'une action mécanique de compactage et/ou de mise en forme.
Lorsque la préforme à réaliser diffère de l'empilement 20 à la fois par son épaisseur et par sa forme, comme c'est le cas dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, la réalisation de la préforme s'effectue avantageusement en deux étapes successives.
La première de ces étapes consiste en une opération de compactage permettant de transformer l'empilement 20 en une ébauche 22 qui a la même forme que l'empilement 20 (c'est-à-dire une forme plane dans l'exemple représenté) mais dont l'épaisseur est égale à celle de la préforme que l'on désire réaliser. En d'autres termes, cette opération de compactage consiste à réduire l'épaisseur de l'empilement 20 afin de donner à l'ébauche 22 une épaisseur intermédiaire entre celle de l'empilement 20 et celle de la pièce à réaliser.
La réalisation de l'ébauche 22 à partir de l'empilement 20 s'effectue en soumettant ce dernier à un cycle thermique à une température suffisante pour donner au liant provisoire les caractéristiques d'une colle. Dans l'exemple décrit où le liant provisoire est constitué par du polystyrène, cette température est au moins égale à 160°C et doit être maintenue à ce niveau pendant une durée d'au moins 15 min. La température doit cependant rester inférieure à environ 280°C, afin d'éviter toute dégradation ou décomposition du polystyrène à ce stade de la fabrication. Concrètement, un chauffage de l'empilement 20 à environ 180°C pendant environ 30 min. assure le collage des nappes constituant l'empilement.
Afin de réduire l'épaisseur de l'empilement 20 pour obtenir l'ébauche 22, ce cycle thermique s'accompagne d'une action mécanique de compactage, obtenue en soumettant l'empilement à une pression supérieure à 1 bar (par exemple, environ 20 bars) lorsque l'empilement se trouve à 180°C, puis pendant son refroidissement jusqu'à une température voisine de 70°C. Le durcissement du polystyrène permet alors à l'empilement de ne pas reprendre son épaisseur initiale.
Cette opération de compactage peut être réalisée en plaçant l'empilement 20 dans une presse chauffante ou dans un autoclave.
Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, on réalise ensuite la préforme 24 au cours d'une deuxième opération de mise en forme. Au cours de cette opération, l'épaisseur de l'ébauche 22 n'est pratiquement pas modifiée, mais on donne à celle-ci une forme comparable à celle de la pièce à réaliser mais dont les contours sont moins accentués, de telle sorte que cette forme soit sensiblement intermédiaire entre celle de l'ébauche 22 et celle de la pièce finale.
Pour effectuer cette opération de mise en forme de l'ébauche 22, on soumet cette dernière à un cycle thermique comparable à celui qui a été appliqué sur l'empilement pendant l'opération de compactage. Ce cycle thermique permet, ici encore, de donner au liant provisoire les caractéristiques d'une colle lorsque la mise en forme est effectuée. Ainsi, on chauffe l'ébauche 22 dans une étuve jusqu'à une température d'environ 180°C, puis on maintient la température à ce niveau pendant environ 30 min.
L'action mécanique de mise en forme de l'ébauche 22 est exercée en plaçant cette dernière entre un poinçon dont la partie active est de préférence relativement souple et une matrice rigide. Pour assurer la mise en forme, une pression d'au moins environ 20 bars est appliquée entre le poinçon et la matrice lorsque la température atteint environ 180°C et cette pression est maintenue jusqu'à ce que la température soit redescendue jusqu'à une valeur voisine de 70°C. Le liant provisoire est alors rigidifié et maintient la préforme dans la forme finale obtenue.
Lorsque la préforme 24 a été obtenue, la fabrication de la pièce en matériau composite est terminée en mettant en oeuvre un cycle thermomécanique final permettant d'obtenir la pièce définitive illustrée en 26 sur la figure. Ce cycle thermomécanique final est parfois appelé "consolidation".
Comme l'illustre schématiquement la figure 1, afin de réaliser la pièce 26, la préforme 24 est placée entre un poinçon 28a et une matrice 28b dont les surfaces sont complémentaires des faces opposées de la pièce 26 à réaliser. Le poinçon 28a comme la matrice 28b ont des formes différentes de celles du poinçon et de la matrice utilisées précédemment, lors de la deuxième opération de mise en forme, pour réaliser la préforme 24. En effet, on a vu précédemment que la forme de la pièce définitive 26 est différente de celle de la préforme 24. De plus, le matériau qui constitue le poinçon 28a est différent de celui qui constitue le poinçon utilisé lors de cette deuxième opération de mise en forme.
Après que la préforme 24 ait été placée entre le poinçon 28a et la matrice 28b, le cycle thermomécanique final est appliqué jusqu'à une température permettant le soudage-diffusion du matériau non organique qui revêt les filaments contenus dans la préforme, afin que ce matériau remplisse la majorité des espaces inter-filaments et forme la matrice du matériau composite. Il est important d'observer que cette température est toujours supérieure à la température de dégradation ou de décomposition du liant provisoire c'est-à-dire à environ 400°C dans le cas du polystyrène. A titre d'exemple non limitatif, lorsque le matériau composite est formé de filaments de carbone noyés dans une matrice d'aluminium, le cycle thermomécanique final correspond à un échauffement de la préforme 24 jusqu'à une température d'environ 600°C pendant environ 1 h, une pression relativement importante, comprise par exemple entre environ 100 bars et environ 250 bars, étant appliquée entre le poinçon 28a et la matrice 28b.
Lorsque cette étape finale est terminée, on obtient une pièce 26 dont l'épaisseur est sensiblement réduite par rapport à celle de la préforme 24, elle-même inférieure à celle de l'empilement initial 20. Le passage par la préforme 24 permet cependant d'améliorer les conditions de mise en forme des filaments à l'intérieur de la pièce lors de sa fabrication, de sorte que les risques de rupture de ces filaments sont pratiquement supprimés et que la pièce obtenue satisfait aux exigences de qualité.
Selon le cas, les résidus de polystyrène décomposés lors du cycle thermomécanique final peuvent rester emprisonnés dans le matériau composite ou au contraire être évacués hors de ce matériau lors du cycle thermomécanique. Dans ce dernier cas, l'évacuation est obtenue par aspiration des résidus, soit en effectuant un balayage gazeux, soit par le vide.
On décrira à présent, en se référant aux figures 2 et 3, la fabrication d'une pièce de forme tubulaire par le procédé selon l'invention.
La première phase du procédé, conduisant à l'obtention d'un film souple 18 formé de filaments organiques 11 parallèles juxtaposés, revêtus d'un matériau non organique et reliés entre eux par un liant provisoire rigidifié tel que du polystyrène, est identique à celle qui a été décrite précédemment en se référant à la figure 1.
La deuxième phase du procédé, illustrée sur la figure 2, consiste dans ce cas à réaliser une préforme tubulaire dont l'épaisseur est supérieure à celle de la pièce à réaliser.
De façon plus précise, l'épaisseur de la préforme obtenue à la fin de cette deuxième phase est intermédiaire entre celle d'un empilement ou d'un enroulement initial de morceaux découpés dans le film souple 18 et drapés sur un mandrin, et l'épaisseur de la pièce à réaliser. Par ailleurs, le diamètre extérieur de la préforme est sensiblement égal ou à peine inférieur à celui de la pièce à réaliser, alors que son diamètre intérieur est inférieur à celui de cette pièce.
La deuxième phase du procédé débute par une étape de découpe de morceaux de tailles appropriées dans le film souple 18.
Cette étape de découpe est suivie d'une étape de drapage, réalisée dans ce cas sur un mandrin cylindrique.
Selon l'épaisseur de la pièce que l'on désire obtenir, une seule opération de drapage suivie d'une étape de compactage unique, ou plusieurs opérations de drapage suivies chacune d'une étape de compactage peuvent être réalisées, comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 2.
Lorsque l'épaisseur de la pièce est suffisamment faible pour que la préforme puisse être obtenue par une étape de compactage unique, les morceaux du film souple 18 préalablement découpés sont drapés en une seule opération sur un mandrin cylindrique expansible constitué par une vessie élastomère gonflable. Cette vessie forme l'élément interne d'un moule de compactage, de structure comparable au moule de consolidation utilisé lors du cycle thermomécanique final, qui sera décrit par la suite en se référant à la figure 3.
Le diamètre extérieur de la vessie gonflable est sensiblement inférieur au diamètre intérieur de la préforme que l'on désire obtenir, alors que le diamètre extérieur de l'empilement ou de l'enroulement formé sur la vessie est pratiquement égal ou très légèrement inférieur au diamètre extérieur de cette préforme.
La vessie gonflable portant l'empilement ou l'enroulement est ensuite placée dans un tube rigide constituant l'élément extérieur du moule de compactage. Le moule de compactage est alors introduit dans une étuve ou dans un autoclave permettant d'appliquer un cycle thermique lors du compactage.
Dans un premier temps, la température est élevée jusqu'à une valeur suffisante pour donner au liant provisoire les caractéristiques d'une colle, sans provoquer sa dégradation ou sa décomposition. Dans le cas du polystyrène, on a déjà vu qu'un chauffage à environ 180°C, ou plus, pendant environ 30 min assure le collage des nappes de l'empilement.
Lorsque la température de collage (par exemple 180°C) est atteinte, une pression de compactage est appliquée sur l'empilement, par gonflage de la vessie gonflable. Cette pression de compactage est au moins égale à environ 20 bars. Elle est maintenue pendant le refroidissement de la préforme jusqu'à une température à laquelle le liant provisoire est durci. Dans le cas du polystyrène, la pression de compactage est maintenue jusqu'à ce que la température soit redescendue à environ 70°C.
La dépressurisation de la vessie élastomère entraîne son retrait et favorise le démoulage de la préforme ainsi obtenue.
Lorsque l'épaisseur de la pièce à réaliser est trop importante, la préforme est fabriquée en plusieurs étapes. La figure 2 illustre le cas où deux cycles de compactage successifs sont appliqués afin d'obtenir la préforme.
Dans ce cas, on réalise d'une part un empilement externe 20a sur une première vessie élastomère gonflable et, d'autre part, un empilement interne 20b sur une deuxième vessie élastomère gonflable. Comme lorsqu'un seul cycle de compactage est appliqué, les vessies métalliques gonflables forment les éléments internes de deux moules de compactage analogues au moule de consolidation de la figure 3.
Le diamètre extérieur de l'empilement externe 20a est pratiquement égal ou très légèrement inférieur au diamètre externe de la préforme à obtenir. Par ailleurs, le diamètre extérieur de l'empilement interne 20b est pratiquement égal ou très légèrement inférieur au diamètre intérieur de l'empilement externe 20a, lorsque ce dernier a été compacté.
On réalise tout d'abord le compactage de l'empilement externe 20a selon un procédé de compactage analogue à celui qui a été décrit précédemment dans le cas où une seule étape de compactage est nécessaire. Pour cela, on place la première vessie portant l'empilement externe 20a dans un tube rigide et on place le moule ainsi formé dans une étuve ou dans un autoclave. Lorsque la température de collage du liant provisoire est atteinte, on applique une pression de compactage sur l'empilement, au moyen de la première vessie. Cette pression est maintenue après un refroidissement suffisant pour que le liant provisoire soit durci. L'empilement externe compacté 22a est alors démoulé.
Avant de procéder au deuxième cycle de compactage, on place l'empilement externe compacté 22a autour de l'empilement interne 20b, non encore compacté, formé sur la deuxième vessie. L'ensemble est ensuite introduit dans un tube rigide, et le moule ainsi formé est placé dans un moule ou dans un autoclave.
Comme lors du premier cycle de compactage, le liant provisoire est d'abord amené à sa température de collage. Lorsque cette température est atteinte, une pression de compactage est appliquée sur l'ensemble formé par l'empilement interne 20b non compacté et par l'empilement externe compacté 22a, au moyen de la deuxième vessie. Cette pression est maintenue jusqu'à ce que l'ensemble soit suffisamment refroidi pour assurer un durcissement du liant provisoire. Lorsque le refroidissement est terminé, on obtient une préforme tubulaire 24 dont le diamètre extérieur est proche de celui de la pièce à réaliser, mais dont l'épaisseur est plus importante.
Conformément à l'invention, la phase de réalisation de la préforme tubulaire 24, incluant une ou plusieurs opérations de compactage, est suivie d'un cycle thermomécanique de consolidation permettant de donner à la pièce ses dimensions définitives. Au cours de ce cycle de consolidation, le matériau non organique qui revêt les filaments est amené à sa température de soudage-diffusion, lui permettant de remplir les espaces inter-filaments et de former la matrice du matériau composite.
Ce cycle de consolidation est obtenu en plaçant la préforme tubulaire 24 dans un moule de consolidation 30 illustré schématiquement sur la figure 3. Comme on l'a déjà mentionné, le ou les moules de compactage utilisés lors des opérations de compactage nécessaires à la fabrication de la préforme ne diffèrent de ce moule 30 que par leurs dimensions.
Le moule de consolidation 30 comporte une vessie métallique gonflable 32, de forme tubulaire et de section circulaire uniforme, sur laquelle est placée la préforme tubulaire 24. Cette vessie est réalisée en un métal ou un alliage métallique suffisamment résistant pour qu'il puisse supporter la pression de compactage appliquée lors de la consolidation, qui peut atteindre 100 à 250 bars. Dans ces conditions, l'utilisation d'une vessie 32 en acier inoxydable de faible épaisseur, est conseillée, notamment par le fait que ce matériau est inerte d'un point de vue physico-chimique, pour les matériaux constituant la pièce en matériau composite à fabriquer. La vessie 32 comporte une extrémité fermée et une extrémité ouverte, pourvue d'un flasque 32a.
L'élément extérieur du moule 30 est constitué par un tube rigide 34, par exemple en acier. Ce tube est réalisé en deux parties dont le plan de joint passe par son axe longitudinal, de façon à permettre le démoulage de la pièce, lorsque la consolidation est terminée.
Le tube rigide 34 est lui-même placé dans une enceinte de sécurité extérieure indéformable 36, de forme tubulaire et de forte épaisseur. Cette enceinte, réalisée par exemple en acier réfractaire, reprend les efforts appliqués sur le tube 34 lors du gonflage de la vessie 32. Elle comporte une surface intérieure tronconique, complémentaire d'une surface extérieure tronconique du tube 34. Cette caractéristique permet d'extraire le tube 34 contenant la pièce et la vessie 32, lorsque la consolidation est terminée.
Le flasque 32a est emprisonné de façon étanche entre les extrémités correspondantes du tube rigide 34 et de l'enceinte de sécurité 36, d'une part et le bouchon 38 vissé sur l'enceinte de sécurité 36, d'autre part. Ce bouchon 38 est traversé axialement par un conduit 40 relié à une source de pression et débouchant à l'intérieur de la vessie 32. L'autre bouchon 38 est traversé par un conduit 42 apte à être relié par une vanne V1 soit à une source de vide 44 d'un système de conditionnement gazeux, soit à un égout 46. A l'intérieur du moule 30, le conduit 42 débouche dans l'espace annulaire 48 formé entre la vessie 32 et le tube rigide 34. Un autre conduit 50 traverse radialement l'enceinte de sécurité et communique avec l'espace 48 par un passage 52 formé dans le tube rigide 34. A l'extérieur du moule 30, le conduit 50 communique avec une source de gaz neutre 54 du système de conditionnement gazeux, au travers d'une vanne V2.
Le moule 30 est lui-même placé dans un four tubulaire (non représenté) permettant d'appliquer à la préforme tubulaire 24 un cycle de température déterminé. Lorsque la température de soudage-diffusion du matériau non organique destiné à former la matrice est atteinte, la pression nécessaire à la consolidation est appliquée sur la préforme 24, au moyen de la vessie 32.
De façon plus précise, avant toute application de pression sur la préforme tubulaire 24, l'intérieur du moule 30 est soumis à un balayage d'un gaz neutre tel que de l'argon, par les conduits 42 et 56, la vanne V2 étant ouverte et la vanne V1 ouverte sur l'égout 46. La température est alors élevée progressivement jusqu'à un premier palier, assurant la dégradation ou la décomposition du liant provisoire. Celui-ci est progressivement évacué de la préforme par le balayage gazeux.
Lorsque tout le liant provisoire a été évacué, le moule est mis sous vide par le conduit 42 (vanne V2 fermée et vanne V1 ouverte sur la source de vide 44) et la température est à nouveau élevée progressivement jusqu'à un deuxième palier, correspondant à la température de soudage-diffusion du matériau destiné à former la matrice. La vessie est alors mise sous pression de façon à réduire la porosité de la pièce à une valeur minimale. Les dimensions de la pièce correspondent alors à la valeur désirée.
Après refroidissement, on procède au démoulage de la pièce. Pour cela, on extrait le tube 34, contenant la pièce et la vessie 32, de l'enceinte 36, ce qui est facilité par la conicité des surfaces en contact du tube 34 et de l'enceinte 36. On démonte ensuite le tube 34 en deux parties. L'extraction de la vessie 32 est enfin effectuée soit par usinage électrochimique, soit par usinage chimique, soit encore par usinage d'une ou plusieurs rainures sur toute la longueur de la vessie, puis "pelage" de celle-ci par traction thermomécanique.
Il est à noter que la préforme 24 peut être revêtue d'une feuille de protection métallique sur ses surfaces intérieure et extérieure, lorsque le matériau destiné à former la matrice le nécessite, par exemple en raison de son caractère oxydable. Ainsi, si ce matériau est du magnésium, la préforme 24 est revêtue de feuilles de titane.
Dans le cas d'une préforme tubulaire, les feuilles de protection sont mises en place lors du ou des drapages, sur les surfaces destinées à former les surfaces intérieure et extérieure de la préforme. Lorsqu'un empilement externe 20a et un empilement externe 20b sont réalisés séparément, une feuille de protection est placée autour de l'empilement externe 20a et une autre feuille de protection est placée à l'intérieur de l'empilement interne 20b.
Les deux exemples de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits en se référant à la figure 1, puis aux figures 2 et 3, mettent en lumière les avantages qui découlent de l'utilisation du procédé de fabrication selon l'invention.
Le principal avantage découle de la fabrication d'une préforme intermédiaire, grâce à l'application d'une action mécanique sur l'empilement, après que celui-ci ait été chauffé à une température telle que le liant provisoire se comporte comme une colle qui assure la liaison entre les filaments des différentes couches, tout en permettant leur déplacement relatif. Du fait que l'action mécanique est maintenue pendant le refroidissement, jusqu'au durcissement du liant provisoire, celui-ci assure ensuite la cohésion et le maintien en l'état de la préforme ainsi réalisée. L'utilisation de cette technique permet d'obtenir des pièces de formes complexes pratiquement sans rupture des filaments, ce qui n'était pas possible avec les techniques antérieures.
Comme on l'a déjà mentionné, la préforme qui est réalisée avant l'application du cycle thermomécanique final peut être obtenue soit directement, en une seule opération, à partir de l'empilement de nappes, soit en deux opérations ou plus, selon la complexité de la forme de la pièce à obtenir et selon la réduction d'épaisseur qui doit être effectuée. Dans tous les cas, la qualité de la pièce obtenue est très sensiblement améliorée par rapport aux techniques actuelles, sans qu'il soit nécessaire de mettre en oeuvre des outillages complexes et coûteux.
Dans le cas particulier des pièces tubulaires, le passage par une préforme intermédiaire selon la technique décrite précédemment permet de fabriquer de telles pièces à partir de mèches étalées dont les filaments sont preimprégnés d'un matériau non organique, ce qui n'était pas possible avec les techniques existantes. En effet, la très forte porosité de l'empilement nécessite de réduire très sensiblement l'épaisseur de ce dernier pour obtenir la pièce tubulaire désirée, et d'appliquer des pressions très élevées. Il en résulte inévitablement un éclatement de la vessie expansible du moule, quel que soit le matériau constituant cette vessie, si les techniques existantes sont utilisées.
Un autre avantage est procuré par le conditionnement des mèches étalées sous la forme d'un film souple 18, de très faible épaisseur, qui peut être aisément découpé, manipulé et mis en oeuvre pour réaliser ensuite sans difficulté particulière des pièces de formes quelconques.

Claims

Procédé de fabrication d'une pièce (26) en matériau composite à matrice non organique, comprenant les étapes suivantes :
- formation d'une nappe à partir de mèches (10) de filaments (11) et d'un matériau apte à former ladite matrice ;

- imprégnation des mèches (10) de la nappe par un liant provisoire, dissous dans un solvant ;

- évaporation du solvant par chauffage, de façon à conditionner la nappe sous la forme d'une feuille souple (18) ;

- découpage de morceaux dans la feuille souple ;

- drapage de ces morceaux, de façon à former au moins un empilement (20) ;

- réalisation d'une préforme (24) d'épaisseur et de forme intermédiaires entre l'épaisseur et la forme de l'empilement (20) et l'épaisseur et la forme de la pièce (26) à fabriquer ;

- application d'un cycle thermomécanique sur la préforme (24), de façon à donner à cette dernière l'épaisseur et la forme de la pièce (26) à fabriquer, et à dégrader le liant provisoire ;
caractérisé par le fait qu'on réalise la préforme en chauffant l'empilement (20) jusqu'à une température de collage du liant provisoire, en exerçant une action mécanique sur l'empilement (20), puis en refroidissant ce dernier jusqu'à une température de durcissement du liant provisoire.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liant provisoire est du type thermoplastique.
Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liant thermoplastique est du polystyrène.
Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le chauffage de l'empilement (20) est effectué à une température de collage du polystyrène au moins égale à environ 160°C et au plus égale à environ 280°C.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on exerce sur l'empilement (20) au moins une action mécanique de compactage.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on exerce sur l'empilement (20) au moins une action mécanique de compactage et au moins une action mécanique de mise en forme.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, appliqué à la fabrication d'une pièce tubulaire, caractérisé par le fait qu'on réalise au moins deux empilements tubulaires séparés (20a,20b) et qu'on réalise la préforme en exerçant une action mécanique de compactage sur un premier empilement tubulaire (20a), à la température de collage du liant provisoire, en refroidissant le premier empilement tubulaire (20a) ainsi compacté, en disposant coaxialement ce premier empilement tubulaire compacté (20a) et un deuxième empilement tubulaire (20b), en exerçant une nouvelle action mécanique de compactage à la température du collage du liant provisoire, en refroidissant le premier et le deuxième empilements tubulaires (20a,20b) ainsi compactés, et en renouvelant ces opérations jusqu'à ce que tous les empilements tubulaires réalisés précédemment soient compactés.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7, appliqué à la fabrication d'une pièce tubulaire, caractérisé par le fait qu'on réalise le drapage sur une vessie expansible formant l'élément intérieur d'un moule de compactage, et qu'on exerce une action mécanique de compactage sur l'empilement (20a,20b) par gonflage de ladite vessie.
Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, lors du cycle thermomécanique, on applique une action mécanique de compactage sur la préforme (24) en plaçant cette dernière sur une vessie expansible (32) formant l'élément intérieur d'un moule de consolidation (30), et en gonflant ladite vessie.
Procédé selon les revendications 8 et 9 combinées, caractérisé par le fait que la vessie expansible (32) du moule de consolidation (30) est en acier inoxydable.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on intègre à l'empilement au moins une feuille de protection superficielle, lors du drapage.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on imprègne par le liant provisoire des mèches étalées (10) de filaments parallèles (11), de telle sorte que l'évaporation du solvant conditionne ces mèches étalées sous la forme d'un film souple (18) dans lequel les filaments parallèles sont reliés par le liant provisoire rigidifié.
Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que l'étape d'imprégnation est précédée d'une étape de bobinage des mèches étalées (10) sur un mandrin (12), pour former une couche de filaments (11) parallèles juxtaposés.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le cycle thermomécanique comprend une première phase de dégradation du liant provisoire, au cours de laquelle la température est amenée et maintenue à un premier palier, sans action mécanique sur la préforme (24), et une deuxième phase de consolidation, au cours de laquelle la température est amenée et maintenue à un deuxième palier, supérieur au premier, et une action mécanique de compression est appliquée sur la préforme (24).
Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé est évacué hors de la préforme (24).
Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé est évacué par un balayage gazeux.
Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé est évacué par du vide.