EP2112970A1 - Procédé de fabrication d'une pièce complexe en matériau composite à fibres longues et à matrice thermodurcissable - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce complexe en matériau composite à fibres longues et à matrice thermodurcissable

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Publication number
EP2112970A1
EP2112970A1 EP07857331A EP07857331A EP2112970A1 EP 2112970 A1 EP2112970 A1 EP 2112970A1 EP 07857331 A EP07857331 A EP 07857331A EP 07857331 A EP07857331 A EP 07857331A EP 2112970 A1 EP2112970 A1 EP 2112970A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibers
resin
stage
subjected
thermosetting resin
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07857331A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrice Lefebure
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus SAS
Original Assignee
European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by European Aeronautic Defence and Space Company EADS France filed Critical European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Publication of EP2112970A1 publication Critical patent/EP2112970A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29K2309/08—Glass

Definitions

  • the present invention belongs to the field of the manufacture of parts made in part at least with a composite material comprising long fibers in a thermosetting organic matrix.
  • the invention relates to a manufacturing method particularly suitable for the manufacture of a more or less complex piece that can be made from several components of the part after assembly.
  • thermosetting prepreg materials In this category of composite material parts, long fiber ribbons pre-impregnated with resin to enter into the production of a part are initially worked, that is to say cut and shaped for example using a mold. hollow or raised. The resin that impregnates the fibers is not polymerized at a significant stage and generally has a pasty state at this stage. Ribbons of long fibers pre-impregnated, for example in webs or in woven form, then have no rigidity which allows them to marry closer to the shapes of the molds.
  • thermal baking according to a cycle adapted to the resin used, which has the effect of irreversibly hardening the resin by polymerization.
  • This thermal baking is generally carried out by applying a pressure on the part at certain stages of said baking in order to creep, before curing, the excess resin to obtain a fiber content as high as possible in the finished material constituting the piece and also to eliminate as much as possible traces of porosity.
  • the materials used are delivered to the workshops to ensure their shaping already prepregs, prepreg being itself a complex and specialized operation, and are kept at low temperatures to prevent them from hardening at room temperature before they are put implemented.
  • the operations of depositing pre-impregnated fibers may be difficult to achieve especially as the quality and reproducibility of the results are essential.
  • stiffeners may have various shapes, for example shapes called ⁇ , Z, U or L as shown in Figure Ic, some of which are difficult to extract from the mold after hardening, for example stiffeners having a section Z-shaped, see impossible to extract from the mold by conventional methods such as the stiffeners in ⁇ of Figure la or Figure Ib.
  • This method is widely used but it has the defect of assembling parts to be made with tolerances of dimensions and tight shapes, as close as possible to those of the final part, and moreover it implies a subsequent assembly of elements which does not make it possible to obtain the homogeneity obtained when the elements are hardened in contact during the same thermal curing of polymerization.
  • the process according to the invention avoids most of the disadvantages of the known processes for the production of parts made of thermosetting composite materials without reducing the structural performances obtained for the part produced.
  • thermosetting resin based on long fiber ribbons pre-impregnated with at least one thermosetting resin, hardening irreversibly during a thermal curing polymerization, and comprising two or more assembled elements
  • at least a first element constituting part of the part is produced, isolated from the workpiece, from a substantially flat plate, the flat plate itself being made by depositing fiber ribbons pre-impregnated with a resin. thermosetting and subjected after said deposition during a step of the process to a partial thermal cooking having the effect of partially polymerizing the resin of said flat plate.
  • This partial polymerization is on the one hand conducted to a stage where the first element has acquired a sufficient dimensional stability that allows the to manipulate and guarantee its integrity during subsequent manufacturing operations of the part and it is furthermore limited to a stage where the material constituting said first element has rheological properties comparable to those of thermoplastic composite materials allowing a sheet-like plastic forming said first element by raising its temperature at least locally so that the shape of said first element can be modified.
  • the flat plate is subjected to at least one plastic forming step, during a subsequent process step, to impart a desired shape to the first forming element associated with an elevation, at least locally, of the temperature of the material constituting said first element
  • the geometric shapes given to the first element made alone are both stable and modifiable and the resin of said first element is able to create new molecular bonds due to its polymerization which has not been brought to maturity.
  • the storage of these elements can be done at room temperature in the absence of expensive refrigeration equipment.
  • the first element is formed during the lay-up of the long fiber ribbons pre-impregnated with thermosetting resin or is only partially shaped and undergoes, after having been subjected to the partial thermal firing, a plastic forming step associated with an elevation, at least locally, the temperature of the material constituting said first element.
  • a substantially flat plate is made of thermally bonded composite material having undergone partial thermal cooking and is shaped by cutting, bending or forming the plate using the thermoplastic characteristics acquired by said plate.
  • Said at least a first element subjected to a partial thermal cooking is assembled with at least a second element based on long fiber ribbons pre-impregnated with a thermosetting resin to form the part to be produced before the complete hardening of the resin of the second element, and said first element and said second element are subjected to a common thermal curing of complete polymerization of the resins of said first and second elements so that an inter-diffusion of the macromolecular chains of the resins at the interface of the elements forming the part is created, and that a constant final degree of cooking is obtained throughout the room
  • the first elements and the second elements are assembled at a stage where the preimpregnated fibers used in the second elements have not been subjected to any thermal curing cycle, which is advantageous when the one or more first elements are easy to place on the fibers of the second elements.
  • the first elements and the second elements are assembled at a stage where the preimpregnated fibers used in the second elements have also been subjected to partial thermal cooking.
  • thermosetting resin used to impregnate the fibers of the first elements and those used to impregnate the fibers of the second elements are chemically compatible so as to be able to create molecular bonds during the common thermal firing.
  • the same thermosetting resin is used to impregnate the fibers of the various elements.
  • the prepreg fibers used for the production of a flat plate for producing an element (2, 3) comprise fiber levels, ie the ratio between the fibers only and the fibers with the prepreg resin, equal to or greater than 65% by weight or equal to or greater than 60% by volume.
  • Figure 1 as an example a stiffened panel representing a room complex composite material, assembled in Figure la and with the various separate elements in Figure Ib, and Figure Ic examples of stiffener profiles;
  • Figure 2 the steps of the manufacturing process of the stiffened panel.
  • a complex piece made of composite material is made from long fiber ribbons pre-impregnated with a thermosetting resin.
  • Ribbon means any flat and unidirectional arrangement of long fibers prepared independently of a part to be made to facilitate the deposition of fibers.
  • the stiffened panel 1 has a skin 2, the thickness of which may be substantially constant or, as is the case most common in the structures in which it is sought the lowest mass possible, vary according to the considered location of the panel according to the local constraints applied to said panel.
  • the stiffened panel 1 also comprises at least one stiffener 3, for example a stiffener said ⁇ whose open portion is integral with one of the faces of the skin 2.
  • the complex piece, the stiffened panel 1 is decomposed into elements or subassemblies as shown in FIG. 1b, the skin 2 on the one hand and the at least one stiffener 3 on the other hand, capable of being shaped separately and to be assembled to form the desired complex piece.
  • a second step 30 at least one of the first elements, for example the at least one stiffener 3, is made with the thermosetting prepreg material chosen to produce the part.
  • This second stage 30 comprises variants but it is characterized in that it comprises a thermal cooking phase 32, called partial thermal cooking, which has the effect of partially polymerizing the resin of so
  • a subsequent temporary temperature rise leads to a lowering of the rigidity of the composite material constituting the element conferring physical and rheological characteristics similar to those of a thermoplastic composite material.
  • Said partial thermal cooking phase is for example a curing thermal cure of the thermosetting material normally used to polymerize and harden the composite material and which is interrupted before complete gelation of the resin, ie the point in the polymerization process wherein the density of the three-dimensional network of the molecular chains within the resin has reached a stage for which said resin no longer has sufficient characteristics for a conventional implementation of the prepreg fibers.
  • the moment when it is desirable to interrupt the thermal cooking depends on the type of resin used. It is determined, for example experimentally, near the point of gelation of said resin.
  • thermosetting materials normally insensitive to heat after polymerization (within the limits of the chemical stability of the polymerized resin), temporarily during the normal curing process.
  • thermoplastic characteristics obtained by means of a partial thermal curing of polymerization of a thermosetting material.
  • the prepreg material is deposited on a shape, hollow or raised, to give the element a shape close to that which it must have in the piece. complex.
  • the pre-impregnated fibers are deposited in a recessed form having the external shape of the stiffener 3.
  • This operation is for example carried out by manually draping or by means of a machine to drape webs of pre-impregnated fibers.
  • the element is subjected to partial thermal cooking 32 and is then released from the shape on which it has been shaped. It will be noted that at this stage, after returning the element to ambient temperature, the polymerization of the resin is very slowed down and that the element can be stored for at least six months, according to the tests carried out, under ambient conditions. when the temperature is maintained below 40 ° centigrade with relative humidity below 60% without its so-called thermoplastic properties change substantially.
  • thermoplastic properties are used to locally modify its shape.
  • a stiffener 3 is advantageously made in a rectilinear mold then undergoes a thermoplastic forming 34 intended to give it curvatures and or twists adapted to its destination on the panel 1.
  • the same mold can thus be used to form stiffeners having substantially the same sections but different in their final forms.
  • substantially planar plates are made with the prepreg material and then subjected to partial thermal cooking 32 to obtain plates having thermoplastic properties.
  • the advantage of the production of flat plates lies, on the one hand, in the simplicity of producing such plates that do not require the use of molds of complex shapes and also complex machines, such as for example machines with multi-axis heads.
  • the prepreg fibers used themselves comprise fiber contents equal to or greater than 65% by weight or 60% by volume.
  • thermoforming is carried out according to conventional methods such as, for example, folding or forming between a shape and a counter-form.
  • conventional methods such as, for example, folding or forming between a shape and a counter-form.
  • a second element of the part for example the skin 2 of the panel 1 is prepared according to a conventional method by depositing 21, for example by draping fiber sheets, fibers pre-impregnated with a material thermosetting on a shape or in a mold.
  • the at least one a first element for example a stiffener 3, made during the second step of the process, and if necessary other elements such as other stiffeners prepared according to the cycle of the second step of the process, is positioned against the thermosetting material of the second element prepared during the third step, the skin 2, depending on the location that said at least one first element, the stiffener 3, must have in the part to be made, the stiffened panel 1.
  • said at least one first element the stiffener 3
  • said element has a certain rigidity at room temperature and a stability which makes it possible to handle it without particular means such as molds or cores carrying uncured pre-impregnated fibers required in the known processes.
  • said element remains sufficiently rigid to be easily conformed to the desired shape when it is positioned and held at the desired location against the other element, unlike processes which assemble totally polymerized elements that are too rigid to be substantially deformed. .
  • a fifth step 50 of the method the assembled elements are subjected to complete thermal baking which has the effect of causing the complete polymerization of the resin of the prepreg fibers used during the third step of the process, the material of the skin 2, and to terminate the polymerization of the resin of the prepreg fibers used during the second step 30 and having undergone partial thermal cooking, the material of the stiffener 3.
  • this step 50 the molecular chains of the resin of the at least one first element, the stiffener 3, having undergone a thermal baking partial are still able to create bonds with the resin of the second element, the skin 2, having not undergone this partial firing when the resins used are chemically compatible, which allows to secure the elements of the room, the skin 2 and the stiffener 3, because of the long molecular chains which interdiffuse in the material of the two assembled elements, with performances equivalent to those obtained by the known methods of simultaneous cooking of the elements that have not undergone partial thermal cooking.
  • thermosetting resins of the pre-impregnated fibers used for the various elements composing the part are preferably resins having a good molecular affinity.
  • the resins of the various elements, skin 2 and stiffener 3, are the same.
  • the different elements, skin 2 and stiffener 3, to constitute the part are made by applying the second step of the process, the second element, the skin 2, thus also being subjected to partial thermal cooking.
  • the third step 20 of the method described above is thus replaced by a step equivalent to the second step 30 comprising, in an equivalent manner, deposition steps of pre-impregnated fibers 21, partial thermal cooking 22, and possibly storage 23, and if necessary forming 24.
  • the thermal cooking of the fifth step 50 can be adapted to take account of the fact that all the elements of the part have already been subjected to a partial thermal cooking 32, 22.
  • the method according to the invention makes it possible to carry out a piece of composite material based on thermosetting resin pre-impregnated fibers by simplifying the handling operations of the elements constituting the part and with tools also simplified.

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Abstract

Pour réaliser une pièce (1) en matériau composite à matrice thermodurcissable, au moins un élément (3) de la pièce (1) est réalisé séparément à base de rubans de fibres préimprégnées de résine thermodurcissable, lequel élément est soumis à une cuisson thermique partielle (32) ayant pour effet de polymériser partiellement la résine dudit premier élément d'une part jusqu'à un stade où le premier élément (3) a acquis à la fois une stabilité chimique suffisante pour garantir son stockage à température ambiante et une stabilité dimensionnelle suffisante pour assurer sa manipulation et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce (1) et d'autre part limitée à un stade où le matériau constituant ledit premier élément a des propriétés thermoplastiques permettant un formage plastique (34) dudit premier élément en élevant sa température au moins localement. Dans une étape ultérieure le premier élément (3) est assemblé avec un second élément (2) qui n'a subi aucune cuisson thermique de durcissement ou a subit une cuisson partielle (32) et les deux éléments assemblés sont soumis simultanément à une cuisson thermique (50) qui provoque la polymérisation complète et homogène des résines des deux éléments en assurant la création de liaisons moléculaires entre les éléments.

Description

Procédé de fabrication d'une pièce complexe en matériau composite à fibres longues et à matrice thermodurcissable
Le présente invention appartient au domaine de la fabrication des pièces réalisées en partie au moins avec un matériau composite comportant des fibres longues dans une matrice organique thermodurcissable. L'invention concerne un procédé de fabrication particulièrement adapté à la fabrication d'une pièce plus ou moins complexe pouvant être réalisée à partir de plusieurs éléments composant la pièce après assemblage.
Les matériaux composites sont aujourd'hui largement utilisés pour la fabrication de pièces dans de nombreux domaines industriels, y compris pour des pièces structurales, c'est à dire devant supporter des efforts significatifs lors de leur utilisation.
De nombreux matériaux composites existent, les plus répandus étant constitués de fibres plus ou moins longues de matières minérales ou organiques (verre, carbone, aramide...) contenues dans une matrice formée par une résine organique dure.
Parmi les nombreux matériaux composites utilisés et les nombreux procédés de mise en oeuvre associés, une des catégories la plus répandue en raison en particulier de son coût raisonnable est associée aux matériaux préimprégnés thermodurcissables. Dans cette catégorie de pièces en matériaux composites, des rubans de fibres longues préimprégnées de résine devant entrer dans la réalisation d'une pièce sont travaillés dans un premier temps, c'est à dire découpés et mis en forme par exemple en utilisant un moule en creux ou en relief. La résine qui imprègne les fibres n'est pas polymérisée à un stade significatif et présente généralement à ce stade un état pâteux. Les rubans de fibres longues préimprégnées, par exemple en nappes ou sous forme tissée, n'ont alors aucune rigidité ce qui permet de leurs faire épouser au plus près les formes des moules. Lorsque toutes les parties de la pièce ont été déposées sous cette forme la pièce est soumise à une opération de cuisson, une cuisson thermique suivant un cycle adapté à la résine utilisée, qui a pour effet de durcir de manière irréversible la résine par polymérisation. Cette cuisson thermique est généralement effectuée en appliquant une pression sur la pièce à certaines étapes de ladite cuisson afin de drainer par fluage, avant son durcissement, la résine excédentaire pour obtenir un taux de fibres aussi élevé que possible dans la matière finie constituant la pièce et également d'éliminer autant que possible les traces de porosité. Le plus souvent les matériaux utilisés sont livrés aux ateliers devant assurer leur mise en forme déjà préimprégnés, la préimprégnation étant elle même une opération complexe et spécialisée, et sont conservés à basses températures pour éviter qu'ils ne durcissent à Ia température ambiante avant leur mise en oeuvre. Lorsqu'une pièce complexe doit être réalisée en matériau composite, les opérations consistant à déposer des fibres préimprégnées peuvent être délicates à réaliser en particulier quant la qualité et la reproductibilité des résultats sont essentielles.
Par pièce complexe il faut comprendre une pièce comportant des zones dont les formes rendent la dépose des fibres longues préimprégnées sur le moule correspondant difficile voir impossible. Ce peut être le cas par exemple d'un panneau raidi comme celui présenté sur la figure la comportant une peau 2 d'épaisseur constante ou variable et des éléments raidisseurs 3 sur une ou sur les deux faces de ladite peau. Les raidisseurs peuvent avoir des formes variées, par exemple des formes dites en Ω, en Z, en U ou en L comme illustré sur la figure Ic, dont certaines sont difficiles à extraire du moule après le durcissement, par exemple des raidisseurs présentant une section en forme de Z, voir impossible à extraire du moule par les méthodes conventionnelles comme les raidisseurs en Ω de la figure la ou la figure Ib. La solution la plus répandue lorsque industriellement il est renoncé à la réalisation de la pièce en une seule étape consiste à déterminer dans la pièce complexe différents sous-ensembles comme illustré sur la figure Ib constituants chacun un élément qui sera réalisé individuellement avec le matériau composite, puis à assembler les différents éléments déjà durcis par collage ou par d'autres méthodes connues d'assemblage. Ainsi dans l'exemple des figures la et Ib les raidisseurs 3 sont réalisés en matériaux durcis sur des moules spécialisés, la peau est réalisée sur un autre moule et ensuite les différents éléments durcis sont assemblés.
Cette méthode est largement utilisée mais elle a le défaut d'assembler des pièces devant avoir été réalisées avec des tolérances de dimensions et de formes serrées, aussi proche que possible de celles de la pièce définitive, et de plus elle implique un assemblage ultérieur des éléments qui ne permet pas d'obtenir l'homogénéité obtenue lorsque les éléments sont durcis en contact au cours d'une même cuisson thermique de polymérisation.
Le procédé suivant l'invention évite la plupart des inconvénients des procédés connus pour la réalisation de pièces en matériaux composites thermodurcissables sans diminuer les performances structurales obtenues pour la pièce réalisée.
Pour cela une pièce en matériau composite à base de rubans de fibres longues préimprégnées d'au moins une résine thermodurcissable, durcissant de manière irréversible au cours d'une cuisson thermique de polymérisation, et comportant deux ou plusieurs éléments assemblés est soumise au cours du processus de réalisation de ladite pièce à une cuisson thermique de durcissement par polymérisation de manière connue. Suivant le procédé au moins un premier élément constituant une partie de la pièce est réalisé, isolément de la pièce, à partir d'une plaque sensiblement plane, la plaque plane elle-même étant réalisée par dépôt de rubans de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable et soumis après ledit dépôt lors d'une étape du procédé à une cuisson thermique partielle ayant pour effet de polymériser partiellement la résine de la dite plaque plane. Cette polymérisation partielle est d'une part menée jusqu'à un stade où le premier élément a acquis une stabilité dimensionnelle suffisante qui permet de le manipuler et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce et elle est d'autre part limitée à un stade où le matériau constituant ledit premier élément a des propriétés rhéologiques comparables à celles de matériaux composites thermoplastiques permettant un formage plastique de type tôlerie dudit premier élément en élevant sa température au moins localement pour que la forme dudit premier élément puisse être modifiée.
La plaque plane est soumise à au moins une étape de formage plastique, lors dune étape ultérieure du procédé, pour conférer une forme voulue au premier élément formage associée à une élévation, au moins localement, de la température du matériau constituant ledit premier élément
Les formes géométriques données au premier élément réalisé isolément sont à la fois stables et modifiables et la résine dudit premier élément est apte à créer de nouvelles liaisons moléculaires en raison de sa polymérisation qui n'a pas été menée à maturité. Avantageusement, le stockage de ces éléments peut se faire à température ambiante en l'absence d'appareil de réfrigération coûteux.
Le premier élément est conformé lors du drapage des rubans de fibres longues préimprégnées de résine thermodurcissable ou bien n'est que partiellement conformé et subit, après avoir été soumis à la cuisson thermique partielle, une étape de formage plastique associée à une élévation, au moins localement, de la température du matériau constituant ledit premier élément. Avantageusement, lorsque la forme du premier élément le permet une plaque sensiblement plane est réalisée en matériau composite thermoducissable ayant subit une cuisson thermique partielle puis est conformée par découpage, pliage ou formage de la plaque en utilisant les caractéristiques thermoplastiques acquises par ladite plaque.
Ledit au moins un premier élément soumis à une cuisson thermique partielle est assemblé avec au moins un second élément à base de rubans de fibres longues préimprégnées d'une résine thermodurcissable pour former la pièce à réaliser avant le durcissement complet de la résine du second élément, et ledit premier élément et le dit second élément sont soumis à une cuisson thermique commune de polymérisation complète des résines des dits premiers et seconds éléments de sorte que se crée une interdiffusion des chaînes macromoléculaires des résines à l'interface des éléments formant la pièce, et que soit obtenu un degré final homogène de cuisson dans toute la pièce
Dans un premier mode de mise en œuvre les premiers éléments et les seconds éléments sont assemblés à un stade où les fibres préimprégnées utilisées dans les seconds éléments n'ont été soumises à aucun cycle thermique de durcissement ce qui s'avère intéressant lorsque le ou les premiers éléments sont faciles à placer sur les fibres des seconds éléments.
Dans un second mode, préféré lorsque les seconds éléments doivent être sortis d'un moule et ou être conformer avant de placer les premiers éléments, les premiers éléments et les seconds éléments sont assemblés à un stade où les fibres préimprégnées utilisées dans les seconds éléments ont également été soumises à une cuisson thermique partielle.
Pour garantir la qualité des liaisons entre les différents éléments la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres des premiers éléments et celles utilisées pour imprégner les fibres des seconds éléments sont chimiquement compatibles pour être aptes à créer des liaisons moléculaires lors de la cuisson thermique commune. Avantageusement la même résine thermodurcissable est utilisée pour imprégner les fibres des différents éléments. Suivant le procédé les éléments ou des plaques ayant été soumis à une cuisson thermique partielle sont stockés à température ambiante en vue d'un assemblage ultérieur, avec ou sans thermoformage préalable afin d'optimiser les cycles de production des pièces.
Pour obtenir des pièces de résistances mécaniques élevées les fibres préimprégnées mises en œuvre pour la réalisation d'une plaque plane pour la réalisation d'un élément (2, 3) comportent des taux de fibres, c'est à dire le rapport entre les fibres seules et les fibres avec la résine de préimprégnation, égaux ou supérieurs à 65% en poids ou égaux ou supérieurs à 60% en volume.
Le procédé suivant l'invention est décrit en référence aux figures qui représentent :
Figure 1 : à titre d'exemple un panneau raidi représentant une pièce complexe en matériau composite, assemblé sur la figure la et avec les différents éléments séparés sur la figure Ib, et figure Ic des exemples de profils de raidisseurs ; Figure 2 : les étapes du procédé de fabrication du panneau raidi.
Suivant le procédé de l'invention présenté figure 2, une pièce complexe en matériau composite est réalisée à partir de rubans de fibres longues préimprégnées par une résine thermodurcissable.
Par ruban on entend tout agencement plat et unidirectionnel de fibres longues préparé indépendamment d'une pièce à réaliser en vu de faciliter le dépôt des fibres.
Dans la suite de l'exposé, le procédé sera détaillé pour la réalisation d'un panneau raidi 1 du même type que celui présenté sur la figure 1 sans que cet exemple soit restrictif. Le panneau raidi de la figure la comporte une peau 2, dont l'épaisseur peut être sensiblement constante ou, comme c'est le cas le plus fréquent dans les structures dans lesquels il est recherchée la masse la plus réduite possible, varier suivant l'emplacement considéré du panneau en fonctions des contraintes locales appliquées audit panneau. Le panneau raidi 1 comporte également au moins un raidisseur 3, par exemple un raidisseur dit en Ω dont la partie ouverte est solidaire d'une des faces de la peau 2.
Dans une première étape la pièce complexe, le panneau raidi 1, est décomposée en éléments ou sous-ensembles comme présenté sur la figure Ib, la peau 2 d'une part et le au moins un raidisseur 3 d'autre part, aptes à être mis en forme séparément et à être assemblés pour constituer la pièce complexe voulue. Dans une seconde étape 30 au moins un des premiers éléments, par exemple le au moins un raidisseur 3, est réalisé avec le matériau préimprégné thermodurcissable choisi pour réaliser la pièce.
Cette seconde étape 30 comporte des variantes mais elle est caractérisée par le fait qu'elle comporte une phase de cuisson thermique 32, dite cuisson thermique partielle, qui à pour effet de polymériser partiellement la résine de telle sorte:
- qu'elle donne à la température ambiante d'un atelier, autour de 2O0C, une rigidité propre à l'élément réalisé lui permettant de conserver sensiblement sa forme lorsqu'il n'est pas soumis à des contraintes mécaniques significatives et de pouvoir être stocké sur de longues périodes, à l'échelle de temps des procédés industriels de fabrication considérés, sans évolution chimique significative de la résine ;
- qu'une élévation de température temporaire ultérieure conduit à un abaissement de la rigidité du matériau composite constituant l'élément lui conférant des caractéristiques physiques et rhéologiques similaires à celles d'un matériau composite thermoplastique.
Ladite phase de cuisson thermique partielle est par exemple une cuisson thermique de durcissement du matériau thermodurcissable normalement utilisée pour polymériser et durcir le matériau composite et qui est interrompue avant la gélification complète de la résine, c'est à dire le point dans le processus de polymérisation où la densité du réseau tridimensionnel des chaînes moléculaires au sein de la résine a atteint un stade pour lequel ladite résine n'a plus les caractéristiques suffisantes pour une mise en oeuvre conventionnelle des fibres préimprégnées. Le moment auquel il est souhaitable d'interrompre la cuisson thermique est fonction du type de résine utilisée. Il est déterminé , par exemple expérimentalement, auprès du point de la gélification de ladite résine.
Le procédé utilise donc une propriété dite de thermoplasticité que les matériaux thermodurcissables, normalement insensibles à la chaleur après polymérisation (dans les limites de la stabilité chimique de la résine polymérisée), ont temporairement au cours du processus normal de durcissement par polymérisation.
A la connaissance de l'inventeur aucun procédé de réalisation de pièces structurales en matériau composite connu n'utilise les caractéristiques thermoplastiques obtenues au moyen d'une cuisson thermique partielle de polymérisation d'un matériau thermodurcissable. Dans une méthode de mise en oeuvre de la seconde étape 30 du procédé, le matériau préimprégné est déposé 31 sur une forme, en creux ou en relief, pour donner à l'élément une forme proche de celle qu'il doit avoir dans la pièce complexe.
Par exemple les fibres préimprégnées sont déposées dans une forme en creux ayant la forme extérieure du raidisseur 3. Cette opération est par exemple réalisée en drapant manuellement ou au moyen d'une machine à draper des nappes de fibres préimprégnées. En association avec des pressions adaptées au matériau, l'élément est soumis à la cuisson thermique partielle 32 puis est dégagé de la forme sur laquelle il a été mis en forme. On notera qu'à ce stade, après retour de l'élément à la température ambiante, la polymérisation de la résine est très ralentie et que l'élément peut être stocké 33 au minimum six mois, suivant les essais réalisés, dans des conditions ambiantes lorsque la température est maintenue en dessous de 40° centigrade avec une hygrométrie relative inférieure à 60% sans que ses propriétés dites thermoplastiques n'évoluent sensiblement.
Le cas échéant, après le démoulage de l'élément, ses propriétés thermoplastiques sont utilisées pour modifier localement sa forme. Par exemple un raidisseur 3 est avantageusement réalisé dans un moule rectiligne puis subit un formage thermoplastique 34 destiné à lui donner des courbures et ou des vrillages adaptés à son emplacement de destination sur le panneau 1. Un même moule peut ainsi être utilisé pour former des raidisseurs ayant sensiblement les mêmes sections mais différents dans leurs formes finales. Dans une autre méthode préférée de mise en oeuvre de la seconde étape
30 du procédé, des plaques sensiblement planes sont réalisées 31 avec le matériau préimprégné puis sont soumises à la cuisson thermique partielle 32 pour obtenir des plaques ayant des propriétés thermoplastiques. Ces plaques, réalisées avec l'épaisseur voulue pour l'élément, par exemple l'épaisseur des parois du raidisseur, sont alors découpées puis thermoformées 34 pour réaliser l'élément 3. L'avantage de la réalisation de plaques planes tient d'une part à la simplicité de réalisation de telles plaques qui ne nécessitent pas de mettre en œuvre des moules de formes complexes et des machines également complexes, comme par exemple des machines avec des têtes multiaxes pour la pose de rubans de fibres préilprégnées, et d'autre part à la possibilité tant par le choix des matériaux utilisés que par le procédé de réalisation des plaques permettant d'utiliser des pressions élevées et homogènes d'obtenir des taux de fibres, rapport entre le poids ou le volume en fibres du matériau obtenu par rapport à son poids total ou son volume total résultat des fibres et de la résine d'imprégnation, égaux ou supérieurs à 65% en poids ou égaux ou supérieurs à 60% en volume.
De préférence pour réaliser les plaques planes les fibres préimprégnées mises en œuvre comportent elles-mêmes des taux de fibres égaux ou supérieurs à 65% en poids ou à 60% en volume.
Le thermoformage est réalisé suivant des méthodes conventionnelles telles par exemple que le pliage ou le formage entre une forme et une contre- forme. L'avantage de cette solution est qu'il est aisé et peu coûteux de réaliser des plaques planes, qui peuvent être produites en séries et stockées sans difficulté à température ambiante en attendant leur utilisation, et que diverses techniques de thermoformage sont connues et maîtrisées.
Dans une troisième étape 20 du procédé, un second élément de la pièce, par exemple la peau 2 du panneau 1, est préparé suivant une méthode conventionnelle en déposant 21, par exemple en drapant des nappes de fibres, des fibres préimprégnées d'un matériau thermodurcissable sur une forme ou dans un moule.
On remarquera que l'ordre d'exécution des étapes 30 et 20 du procédé n'est pas imposé et résulte d'un choix industriel correspondant à l'ordre de préparation des éléments 2, 3. En particulier les dites étapes peuvent être simultanées ou même imbriquées dans le temps.
Dans une quatrième étape 40 du procédé dite d'assemblage, le au moins un premier élément, par exemple un raidisseur 3, réalisé au cours de la seconde étape du procédé, et le cas échéant d'autres éléments tels que d'autres raidisseurs préparés suivant le cycle de la seconde étape 30 du procédé, est positionné contre le matériau thermodurcissable du second élément préparé lors de la troisième étape, la peau 2, en fonction de l'emplacement que ledit au moins un premier élément, le raidisseur 3, doit avoir dans la pièce à réaliser, le panneau raidi 1.
La mise en place dudit au moins un premier élément, le raidisseur 3, s'avère beaucoup plus aisé que dans les méthodes connues. D'une part ledit élément présente une certaine rigidité à température ambiante et une stabilité qui permet de le manipuler sans moyens particuliers tels que des moules ou des noyaux porteurs de fibres préimprégnées non durcies nécessaires dans les procédés connus.
D'autre part ledit élément reste suffisamment peu rigide pour être aisément conformé à la forme voulue lors de son positionnement et maintenu à l'emplacement voulu contre l'autre élément, contrairement aux procédés qui assemblent des éléments totalement polymérisés trop rigides pour être sensiblement déformés.
Dans une cinquième étape 50 du procédé, les éléments assemblés sont soumis à une cuisson thermique complète qui a pour effet de provoquer la polymérisation complète de la résine des fibres préimprégnées utilisées pendant la troisième étape 20 du procédé, le matériau de la peau 2, et de terminer la polymérisation de la résine des fibres préimprégnées utilisées pendant la seconde étape 30 et ayant subit une cuisson thermique partielle, le matériau du raidisseur 3.
Par polymérisation complète, il faut comprendre le niveau de polymérisation des résines utilisées qui est atteint dans les procédés conventionnels lorsqu'il est considéré que le matériau composite a acquis des caractéristiques mécaniques stables admises comme définitives. Au cours de cette étape 50 les chaînes moléculaires de la résine du au moins un premier élément, du raidisseur 3, ayant subit une cuisson thermique partielle sont encore en mesure de créer des liaisons avec la résine du second élément, de la peau 2, n'ayant pas subit cette cuisson partielle lorsque les résines utilisées sont chimiquement compatibles ce qui permet de solidariser les éléments de la pièce, la peau 2 et le raidisseur 3, en raison des chaînes moléculaires longues qui interdiffusent dans la matière des deux éléments assemblés, avec des performances équivalentes à celles obtenue par les procédés connus de cuisson simultanée des éléments n'ayant pas subit de cuisson thermique partielle.
Les résines thermodurcissables des fibres préimprégnées utilisées pour les différents éléments composant la pièce sont de préférence des résines ayant une bonne affinité moléculaire. Dans un mode particulier de mise en oeuvre, les résines des différents éléments, peau 2 et raidisseur 3, sont les mêmes.
Dans une variante du procédé, représentée par des étapes facultatives encadrées par des traits discontinus sur le schéma de la figure 2, les différents éléments, peau 2 et raidisseur 3, devant constituer la pièce sont réalisés en appliquant la seconde étape du procédé, le second élément, la peau 2, étant donc soumis lui aussi à une cuisson thermique partielle. Dans cette variante, la troisième étape 20 du procédé décrit précédemment est donc remplacée par une étape équivalente à la seconde étape 30 comportant de manière équivalente des étapes de dépôt de fibres préimprégnées 21, de cuisson thermique partielle 22, le cas échéant de stockage 23, et le cas échéant de formage 24.
Dans ce cas la cuisson thermique de la cinquième étape 50 peut être adaptée pour tenir compte du fait que tous les éléments de la pièce ont déjà été soumis à une cuisson thermique partielle 32, 22. Ainsi le procédé suivant l'invention permet de réaliser une pièce en matériau composite à base de fibres préimprégnées de résine thermodurcissable en simplifiant les opérations de manipulation des éléments constituant la pièce et avec des outillages également simplifiés.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de réalisation d'une pièce (1) structurale en matériau composite à base de rubans de fibres longues préimprégnées d'au moins une résine thermodurcissable, résine apte à polymériser et à durcir de manière irréversible au cours d'une cuisson thermique, soumise au cours du processus de réalisation de ladite pièce à une cuisson thermique (50) de durcissement par polymérisation caractérisé en ce que au moins un premier élément (2, 3) constituant une partie de la pièce (1) est réalisé (20, 30) isolément de la pièce (1) à partir d'une plaque sensiblement plane, ladite plaque plane étant réalisée par dépôt (21, 31) de rubans de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable soumis après ledit dépôt lors d'une étape du procédé à une cuisson thermique partielle (22, 32) ayant pour effet de polymériser partiellement la résine dudit premier élément d'une part jusqu'à un stade où le premier élément (2, 3) a acquis une stabilité dimensionnelle suffisante pour assurer sa manipulation et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce (1) et d'autre part limitée à un stade où le matériau constituant ledit premier élément a des propriétés thermoplastiques permettant un formage plastique dudit premier élément en élevant sa température au moins localement, ladite plaque plane étant soumise, lors dune étape ultérieure du procédé, pour conférer une forme voulue audit premier élément à au moins une étape de formage plastique (24, 34) associée à une élévation, au moins localement, de la température du matériau constituant ledit premier élément.
2 - Procédé suivant la revendication 1 dans lequel au moins un second élément (3, 2) de la pièce (1) est réalisé (30, 20) au moyen de rubans de fibres préimprégnées d'une résine thermodurcissable et dans lequel le premier élément (2, 3) ayant été soumis à une cuisson thermique partielle est assemblé (40) avec ledit second élément avant durcissement complet de la résine du second élément, et de soumettre ledit premier élément et le dit second élément à une cuisson thermique (50) commune de polymérisation complète des résines des dits premier et second éléments.
3 - Procédé suivant la revendication 2 dans lequel le premier élément et le second élément (2, 3) sont assemblés (40) à une étape du procédé où les fibres préimprégnées utilisées dans le second élément (3) (2) n'ont été soumises à aucun cycle thermique de durcissement.
4 - Procédé suivant la revendication 2 dans lequel le premier élément et le second élément (2, 3) sont assemblés (40) à une étape du procédé où les fibres préimprégnées utilisées dans le second élément (3) (2) ont été soumises à une cuisson thermique partielle (32) (22) ayant pour effet de polymériser partiellement la résine jusqu'à un stade où le second élément (3) (2) acquière une stabilité dimensionnelle suffisante pour assurer sa manipulation et garantir son intégrité lors des opérations ultérieures de fabrication de la pièce (1) et limitée à un stade où le matériau constituant ledit second élément a des propriétés thermoplastiques permettant un formage plastique (34) (24) dudit second élément en élevant sa température au moins localement.
- Procédé suivant l'une des revendications 2, 3 ou 4 dans lequel la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du premier élément (2) (3) et la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du second élément (3) (2) sont chimiquement compatibles pour être aptes à créer des liaisons moléculaires lors de la cuisson thermique commune (50).
- Procédé suivant la revendication 5 dans lequel la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du premier élément (2) (3) est la même que la résine thermodurcissable utilisée pour imprégner les fibres du second élément (3) (2). - Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un ou plusieurs éléments (2, 3) et ou une ou plusieurs plaques ayant été soumis à une cuisson thermique partielle (22, 32) sont stockés (23, 33) à température ambiante en vue d'un assemblage (40) ultérieur, avec ou sans thermoformage (24, 34) préalable.
- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel les fibres préimprégnées mises en œuvre pour la réalisation d'une plaque plane pour la réalisation d'un élément (2, 3) comporte un taux de fibres, rapport en poids ou en volume entre les fibres seules et les fibres avec la résine de préimprégnation, égal ou supérieur à 65% en poids ou égal ou supérieur à 60%.
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