FR2694553A1

FR2694553A1 - Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice non organique.

Info

Publication number: FR2694553A1
Application number: FR9208725A
Authority: FR
Inventors: Eric Sixdeniers
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1994-02-11
Anticipated expiration: 2012-07-15
Also published as: FR2694553B1

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. On réalise la préforme (24) en soumettant l'empilement (20) à un cycle thermique amenant le liant provisoire à une température de collage. Enfin, on soumet la préforme (24) à un cycle thermomécanique final permettant d'obtenir la pièce (26) et de dégrader le liant provisoire, qui peut rester dans la pièce ou en être évacué par aspiration.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE EN MATERIAU
COMPOSITE A MATRICE NON ORGANIQUE.

DESCRIPTION
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite, à partir de mèches étalées formées de filaments parallèles d'un matériau organique tel que du carbone, revêtus 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, 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.

L'invention a précisément pour objet un nouveau procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice non organique permettant de résoudre simultanément les deux problèmes énoncés précédemment, d'une part en assurant un conditionnement des mèches étalées facilitant leur préhension et leur mise en oeuvre, d'autre part en permettant de réaliser une préforme intermédiaire facilitant la mise en forme définitive de la pièce, ce qui permet d'obtenir des pièces en matériau composite conformes aux exigences de qualité, pour un coût relativement faible.

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, à partir de mèches étalées de filaments parallèles revêtus d'un matériau apte à former ladite matrice, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes - imprégnation des mèches étalées par un liant provisoire,
dissous dans un solvant - évaporation du solvant par chauffage, de façon à condi
tionner les mèches étalées sous la forme d'un film
souple, dans lequel les filaments parallèles sont reliés
par le liant provisoire rigidifié - drapage de nappes découpées dans le film souple, de
façon à former un empilement - application d'au moins un cycle thermique sur ledit
empilement, de façon à réaliser une préforme d'épaisseur
et de forme intermédiaires entre l'épaisseur et la
forme de l'empilement et lfépaisseur et la forme de
la pièce à fabriquer, par collage des nappes à l'aide
du liant provisoire - 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.

Grâce à l'imprégnation des mèches étalées par un liant provisoire, il devient possible de conditionner ces mèches sous la forme d'un film souple formé de plusieurs mèches étalées juxtaposées, qui rend la découpe et le drapage extrèmement faciles. Pour permettre la réalisation d'un film souple de grande largeur, l'étape d'imprégnation est précédée avantageusement d'une étape de bobinage des mèches étalées sur un mandrin, pour former une couche de filaments parallèles juxtaposés.

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 améliore très sensiblement la qualité des pièces obtenues et permet d'utiliser un outillage moins coûteux pour appliquer le cycle thermomécanique final.

On observe enfin 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 cycle thermique appliqué sur l'empilement consiste alors à chauffer ce dernier à une température de collage comprise entre environ 1600 et environ et 2800C.

Le cycle thermomécanique appliqué ensuite sur la préforme consiste à chauffer sous pression cette dernière à une température d'au moins environ 4000C, pour effectuer le soudage-diffusion de la matrice. Cette température permet aussi de dégrader le haut. A titre d'exemple nullement limitatif, dans le cas d'un matériau composite de type carbone-aluminium, on chauffe la préforme à environ 6000C, sous une pression comprise entre environ 100 bars et environ 250 bars.

Dans certains cas, l'étape d'application d'un cycle thermique comprend au moins une première opération de compactage et au moins une deuxième opération de mise en forme, permettant d'obtenir ladite préforme.

On décrira à présent, de façon non limitative, un exemple de mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention, en se référant à la figure unique qui illustre schématiquement les étapes successives du procédé, dans le cas où la pièce à fabriquer est une demi-coquille présentant une section en forme d'
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, revêtus d'un matériau non organique tel 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.

Au cours d'une première étape visant à obtenir une nappe de grande largeur, la mèche étalée 10 est bobinée bord à bord ou avec recouvrement sur un mandrin 12, comme l'illustre schématiquement la figure unique. On obtient ainsi une nappe de filaments 11 parallèles juxtaposés, formant une couche unique de filaments sur le mandrin 12.

Comme on l'a illustré schématiquement en 14 sur la figure, cette nappe de filaments est ensuite imprégnée par un liant provisoire, dissous dans un solvant.

Dans l'exemple de réalisation considéré, ce 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 bobinés sur le mandrin 12 est terminée, la nappe imprégnée est soumise à un cycle thermique comme on l'a illustré en 16 sur la figure unique. 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 alors à chauffer la nappe de filaments 11 imprégnés de la solution de polystyrène à une température d'environ 1200C.

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 de la nappe bobinée sur le mandrin 12. Par conséquent, lorsque cette nappe est coupée selon une génératrice du mandrin afin d'être séparée de ce dernier, elle se comporte comme un film souple 18, 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 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 1600C et environ 2800C, 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.

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 450 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 la figure, soit par drapage sur une surface de forme différente, telle qu'un mandrin cylindrique lorsqu'on désire réaliser une pièce de forme tubulaire.

Lorsque cette opération de drapage est terminée, on procède à la réalisation d'une préforme en soumettant l'empilement 20 à un cycle thermique éventuellement accompagné d'une action mécanique de compactage. La préforme peut être obtenue en une seule opération, notamment lorsqu'elle ne diffère de l'empilement initial que par une épaisseur réduite, comme c'est le cas lorsqu'on désire réaliser une pièce tubulaire à partir d'un empilement enroulé sur un mandrin.

Au contraire, 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, 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 correspond à l'épaisseur 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 1600C et doit être maintenue à ce niveau pendant une durée d'au moins 15 min. La température doit cependant rester inférieure à environ 2800C, afin d'éviter toute dégradation ou décomposition du polystyrène à ce stade de la fabrication. Concrètement, un chauffage de l'empilement 20 à environ 1800C pendant environ 60 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 1800C, puis pendant son refroidissement jusqu'à une température voisine de 700C. 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 et en introduisant l'ensemble constitué par l'empilement et par la presse dans une étuve ou dans un autoclave.

Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure, 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 place celle-ci entre un poinçon dont la partie active est de préférence relativement souple et une matrice rigide et on soumet l'ensemble à un cycle thermique comparable à celui qui est appliqué sur l'empilement 20 lors de l'opération de compactage, afin d'obtenir l'ébauche 22. Plus précisément, cette deuxième opération de mise en forme consiste, dans l'exemple décrit, à chauffer l'ébauche 22 dans une étuve jusqu'à une température d'environ 1800C, puis à maintenir la température à ce niveau pendant environ 60 min. Pour assurer la mise en forme, une pression d'environ 20 bars est appliquée entre le poinçon et la matrice lorsque la température atteint environ 1800C et cette pression est maintenue jusqu'à ce que la température soit redescendue jusqu'à une valeur voisine de 700C.

Lorsque la préforme 24 a été obtenue, la fabrication de la pièce en matériau composite est terminée en mettant en oeuvre de façon classique 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, 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. I1 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 4000C 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 6000C 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.

L'exemple de mise en oeuvre qui vient d'être décrit en se référant à la figure met en lumière les avantages qui découlent de l'utilisation du procédé de fabrication selon l'invention.

Le premier avantage est procuré par le conditionnement des mèches étalées sous la forme d'un film souple 18 qui peut être aisément découpé, manipulé et mis en oeuvre pour réaliser ensuite sans difficulté particulière des pièces de formes quelconques.

Le deuxième avantage découle de la fabrication d'une préforme intermédiaire entre la pièce finale et l'empilement de forte épaisseur réalisé initialement, cette préforme permettant d'obtenir une pièce de bonne qualité, pour un coût relativement limité.

Le conditionnement des filaments sous la forme d'un film souple aisément manipulable et la réalisation d'une préforme préalablement à la mise en forme finale de la pièce sont rendus possibles par l'imprégnation des mèches étalées par un liant provisoire avantageusement constitué par du polystyrène ou par tout autre liant thermoplastique présentant des propriétés comparables.

Comme on lia 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.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une pièce (26) en matériau composite à matrice non organique, à partir de mèches étalées (10) de filaments parallèles (11) revêtus d'un matériau apte à former ladite matrice, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes - imprégnation des mèches étalées (10) par un liant provi

soire, dissous dans un solvant - évaporation du solvant par chauffage, de façon à condi

tionner les mèches étalées (10) sous la forme d'un

film souple (18), dans lequel les filaments parallèles

(11) sont reliés par le liant provisoire rigidifié - drapage de nappes découpées dans le film souple, de

façon à former un empilement (20) - application d'au moins un cycle thermique sur ledit

empilement, de façon à réaliser 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, par collage

des nappes à l'aide du liant provisoire - 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.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le liant provisoire est du type thermoplastique.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le liant thermoplastique est du polys tyrène.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le cycle thermique est effectué à une température de collage du polystyrène au moins égale à environ 1600C et au plus égale à environ 2800C.

5. Procédé selon lune quelconque des revendi cations précédentes, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé par l'application du cycle thermomécanique reste emprisonné dans la pièce (26).

6. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé par l'application du cycle thermomécanique est aspiré hors de la pièce (26).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé est aspiré par un balayage gazeux.

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le liant provisoire dégradé est aspiré par du vide.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le cycle thermique est accompagné d'une action mécanique de compactage.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'étape d'application d'un cycle thermique comprend au moins une première opération de compactage et au moins une deuxième opération de mise en forme, permettant d'obtenir ladite préforme (24).

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 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.