FR2719803A1 - Procédé de fabrication d'un panneau de grandes dimensions en matériaux composites et panneau plan obtenu par ce procédé. - Google Patents

Procédé de fabrication d'un panneau de grandes dimensions en matériaux composites et panneau plan obtenu par ce procédé. Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" comprenant une étape de fabrication de panneaux élémentaires comportant deux peaux minces collées directement sur une âme centrale, et une étape d'assemblage des panneaux élémentaires en une structure de grandes dimensions. L'invention concerne également un panneau de grandes dimensions en matériaux composites, fabriqué par le procédé selon l'invention, présentant une structure peau/âme/peau, l'interface âme/peau étant réalisée directement et uniquement par une colle.

Description

La présente invention se rapporte au procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" et à un panneau fabriqué par ce procédé.
Un matériau composite est généralement composé de fibres et d'une matrice. Les fibres peuvent être de types variés (fibres de verre, de carbone, de bore, .);elles sont noyées dans une matrice de résine (polyester, époxy,...).
Les propriétés mécaniques de cette matrice résineuse sont faibles;elle joue en fait un rôle de liant et un rôle structurel.Par contre, les propriétés mécaniques des fibres sont exceptionnelles, le verre sous forme de fibres étant cinq cent fois plus résistant que le verre monobloc. Les matériaux composites, compte-tenu de leurs propriétés mécaniques et massiques, sont des produits d'élection de l'industrie aéronautique, spatiale et en particulier de constructions navales.
De façon connue, les panneaux en matériaux composites présentent deux structures bien déterminées : la structure de type monolithique et la structure de type "sandwich". Les panneaux de type monolithique sont réalisés par superposition de plusieurs couches de tissus de fibres enduites de résine de stratification. Les panneaux présentant une structure de type "sandwich", comprennent une âme enserrée entre deux semelles ou peaux de tissus de fibres. L'âme peut être de différentes natures balsa ou autre bois, mousses de polyuréthane, de polychlorure de vinyl, une structure en "nid d'abeille"...
Mais, la réalisation de panneaux plans de grandes dimensions, c'est-à-dire de l'ordre de 100 à 300 mètres carrés, en structure de type "sandwich" est très difficile, non seulement du fait des dimensions importantes qui nécessitent un outillage adapté, spécifique et souvent onéreux, mais aussi du fait de la fixation de l'âme et des semelles qui doit être correcte, ce type de panneau ayant à subir des contraintes aussi importantes que variées.
De façon usuelle, lors de la fabrication de tels panneaux, il convient d'utiliser un tissu d'accrochage ou mat.Ce mat est constitué de fibres ayant des directions dans le plan tout à fait aléatoires, maintenues les unes aux autres par un liant soluble dans la résine. Ce mat est inséré entre l'âme et les peaux
Son rôle étant d'assurer une bonne adhérence entre l'âme et les peaux, son grammage, c'est-à-dire sa masse par unité de surface, doit être important (de l'ordre de 450 g/m2).
Cependant, ce mat d'accrochage ne joue aucune fonction mécanique et pénalise la masse surfacique de la structure "sandwich", en particulier dans les structures à peaux minces, c'est-à-dire ayant une épaisseur ne dépassant pas quelques millimètres.
L'augmentation de masse surfacique du panneau due au mat atteint couramment 1,5 kg/m2.
Un autre inconvénient, survenant lors de la mise en oeuvre des procédés utilisant un tel mat, réside dans l'utilisation d'une poche à vide pour permettre une adhésion efficace de l'âme, du mat et de la peau inférieure, ce qui nécessite un nombre important d'opérations manuelles, tout en limitant l'industrialisation du procédé.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients existants lors de la fabrication de panneaux en matériaux composites de grandes dimensions ayant une structure "sandwich", grâce à un procédé, à la fois simple et efficace, basé sur une suppression du mat d'accrochage et de la technique de la poche à vide.
Ces objectifs sont atteints grâce à un procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich'1, comprenant les étapes successives suivantes
- une - étape de fabrication de panneaux élémentaires comportant deux peaux minces collées directement sur une âme centrale,
- une étape d'assemblage des panneaux élémentaires en une structure de grandes dimensions.
Les panneaux élémentaires sont des panneaux à structure de type "sandwich" mais de dimensions plus réduites que le panneau à réaliser, d'une surface de l'ordre du mètre carré par exemple. En fonction de la forme du panneau de grandes dimensions à réaliser, les panneaux élémentaires auront des dimensions égales ou différentes.
La présente invention permet un gain de masse surfacique de 10 à 15% pour les panneaux à structure "sandwich" à peaux minces.
Les peaux minces sont des tissus de fibres composites que l'on enduit de résine et auxquels on fait subir une polymérisation. La fabrication des peaux minces se fait grâce à des méthodes se prêtant bien à une industrialisation, notamment par imprégnation automatisée ou par injection. Ces méthodes sont bien connues de l'homme du métier.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention l'étape de fabrication de panneaux élémentaires peut comprendre les opérations suivantes
- un traitement de l'âme en vue d'un bon accrochage des peaux minces,
- une fabrication de peaux minces à partir de tissu fibreux et de résine,
- un traitement de surface des peaux minces,
- un collage des peaux minces sur l'âme traitée.
En variante, le traitement de l'âme peut être réalisé par action chimique ou mécanique (ponçage, disquage...), ou peut être constitué par l'application d'un primaire, c'est-à-dire par l'application d'un produit de liaison permettant d'augmenter l'adhérence entre deux surfaces incompatibles. Le but de ce traitement dé surface est d'assurer une adhésion optimale des peaux minces sur l'âme, car il permet d'éliminer d'éventuelles souillures (graisse, poussière...).
Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé selon l'invention, le traitement de surface des peaux minces est réalisé par la mise en place d'un tissu à délaminer lors de leur fabrication, alors que la résine de stratification est encore liquide.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, le collage est réalisé au moyen d'une colle structurelle.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, le collage est réalisé sous presse ou sous vide.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, l'étape d'assemblage des panneaux élémentaires peut comporter les opérations suivantes
- un traitement surfacique d'une face des panneaux élémentaires,
- une juxtaposition bord à bord sur une surface plane, faces traitées au dessus, des panneaux élémentaires formant la structure voulue,
- une stratification de contact de tissus fibreux sur les faces traitées des panneaux élémentaires,
- une polymérisation du stratifié formant des peaux résistantes,
- un retournement de la structure et une répétition des quatre opérations précédentes sur les faces des panneaux élémentaires non encore traitées,
- un détourage du panneau aux dimensions voulues, le détourage consistant à donner à une pièce en cours d'usinage, le contour exact imposé par le dessin.
Les peaux résistantes sont réalisées par une disposition en strates des tissus fibreux en matériau composite imprégnés d'une résine. Celle-ci subit ensuite une polymérisation.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, les peaux minces ont de préférence un grammage inférieur ou égal à celui des peaux résistantes.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, le traitement surfacique des panneaux élémentaires est réalisé par arrachage des tissus à délaminer.
Toutefois, ce traitement de surface pourra également être réalisé par d'autres moyens adéquats, notamment par ponçage ou par disquage.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, le retournement du panneau, en cours de fabrication, est réalisé au moyen de ventouses et/ou de raidisseurs.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, les peaux minces ont une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, les peaux minces sont perforées.
Selon le procédé mis en oeuvre par 1 'invention, les tissus fibreux utilisés sont en fibres de verre.
L'invention concerne également un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" réalisé par le procédé selon l'invention , présentant une structure peau/âme/peau, l'interface âme/peau étant réalisée directement et uniquement par une colle, aucun autre moyen n'étant utilisé pour réaliser l'accrochage des peaux sur l'âme, et en particulier aucun mat.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans les dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs dans lesquels
- la Fig. 1 représente une coupe transversale d'un panneau élémentaire,
- la Fig. 2 représente une coupe transversale d'un panneau fabriqué par le procédé selon l'invention -
- la Fig. 3 représente un exemple de juxtaposition de panneaux élémentaires,
- la Fig. 4 représente un panneau en cours de fabrication par le procédé selon l'invention.
Comme représenté en Fig. 1, en coupe transversale les panneaux élémentaires présentent une âme centrale 1 pouvant être notamment en balsa, en "nid d'abeille" ou encore en mousse;cette âme centrale 1 est prise en "sandwich" entre deux peaux minces 2, les peaux minces 2 étant directement collées sur l'âme centrale 1.Les films de colle 3 font l'interface entre les peaux minces 2 en matériaux composites, notamment en fibres de verre, et l'âme centrale 1.
L'âme centrale 1 est réalisée en matériaux de types variés notamment en balsa, en "nid d'abeille", en mousse,etc...
Lorsqu'on utilise une âme en balsa, les fibres du bois sont placées perpendiculairement aux fibres des peaux, optimisant ainsi les propriétés mécaniques.
L'âme peut être de tout type d'épaisseur, notamment 50 ou 100 mm.De manière simple, on utilise par exemple comme âme des plaques de balsa couramment commercialisées, d'une longueur d'environ 1220 mm, d'une largeur d'environ 610 mm et d'une épaisseur de l'ordre de 50 mm.
Les peaux minces 2 subissent avant collage un traitement surfacique chimique ou mécanique, par exemple au moyen d'un tissu à délaminer, un tissu à délaminer étant un tissu de fibres fines, de nylon par exemple, qui est mis en place pendant la fabrication des peaux minces alors que la résine de stratification est encore liquide. Après polymérisation de la résine, on procède à l'arrachage de ce tissu à délaminer, ce qui découvre une surface rugueuse, propre et apte à subir les autres opérations du procédé selon l'invention. Le tissu à délaminer n'adhère pas à la résine. L'utilisation de ce tissu à délaminer est un moyen simple de réduire le temps nécessaire au traitement des peaux minces; de plus, il fournit de bons résultats. L'emploi de ce tissu à délaminer peut être remplacé par un ponçage.
Une fois traitées, les peaux minces 2 sont usinées par des moyens classiques aux dimensions désirées.
Le collage des peaux minces sur l'âme est réalisé au moyen d'une colle structurelle, capable de pénètrer dans les structures à coller.On peut notamment utiliser des colles de types polyester, époxy ou polyuréthane.De plus, afin d'éviter un quelconque chauffage, on utilise de préférence une colle structurelle polymérisant à température ambiante.
Le collage des peaux directement sur l'âme centrale, permet d'éliminer le mat d'accrochage utilisé dans l'art antérieur;l'interface entre les peaux et l'âme se fait alors directement par l'intermédiaire de la colle. Le collage est effectué sous presse ou sous vide.
Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé selon l'invention, les peaux minces ont une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm.
Selon une autre caractéristique du procédé mis en oeuvre par l'invention, les peaux minces sont perforées. Ces perforations permettent d'éviter la formation de poches d'air lors du collage des peaux minces sur 1 'âme.
Comme représenté en Fig. 2, en coupe transversale, le panneau de grandes dimensions fabriqué par le procédé selon l'invention, présente une âme centrale 1 prise en "sandwich" entre deux peaux minces 2, ces peaux minces 2 étant elles-mêmes prises en "sandwich" entre deux peaux résistantes 4.
Pour fabriquer les peaux minces, on utilise préférentiellement du tissu d'un grammage inférieur ou égal à -200 0 0 g/m2, alors que pour fabriquer les peaux résistantes le tissu utilisé a préférentiellement un grammage supérieur ou égal à 500 g/m2. En effet, il est judicieux d'utiliser des tissus fins lors de la fabrication des peaux minces.Ces tissus étant découpés aux dimensions des panneaux élémentaires, leur rôle mécanique est limité;il est donc inutile que leur grammage soit élevé.Par contre, les peaux résistantes jouent un rôle mécanique important de par leurs fibres qui sont continues sur toute la longueur du panneau;elles doivent donc être d'un grammage cohérent avec leur rôle.Cependant, une utilisation "anarchique" de tissus pour réaliser les différentes peaux, c'est-àdire sans tenir compte des remarques précédentes, n'aurait d'autre incidence que la réalisation d'un panneau de moins bonne qualité.
La Fig. 3 représente une juxtaposition de panneaux élémentaires 6 en une structure de grandes dimensions. La juxtaposition se fait sur une surface plane 5 permettant une jonction des bords 7 des panneaux élémentaires 6 dont on distingue l'âme centrale 1 et les peaux minces 2.
La Fig. 4 représente un panneau de grandes dimensions en cours de fabrication par le procédé selon l'invention. Les panneaux élémentaires 6 ont été juxtaposés bord à bord sur une surface plane;une première peau résistante 8 a subi une stratification de contact.Ensuite, le panneau a été retourné en vue du traitement des faces non encore traitées des panneaux élémentaires et de la stratification d d'une deuxième peau résistante, aboutissant ainsi après détourage au panneau selon l'invention.
Selon le procédé mis en oeuvre par l'invention, le retournement est réalisé au moyen de ventouses et/ou de raidisseurs Ces moyens permettent d'éviter ou tout au moins de minimiser les risques d'une détérioration du panneau en cours de fabrication suite à une mauvaise manipulation Le retournement est nécessaire à la stratification de la deuxième peau résistante, après polymérisation de la première.
Selon un mode préférentiel du procédé selon l'invention, les tissus fibreux utilisés sont en fibres de verre, les fibres de verre étant des fibres peu onéreuses à l'achat et donnant de bons résultats.
Toutefois, le panneau pourra être réalisé à partir de tout type de fibres connues de l'homme du métier et habituellement utilisées ou utilisables pour la réalisation de structures composites.
De tels panneaux présentent un intérêt non négligeable lorsqu'ils sont utilisés sur les navires, notamment dans la réalisation de cloisons, de planchers ou de superstructures.
De manière générale, ils peuvent être utilisés pour la réalisation de tout type de plancher, de cloison ou de structure plane de grandes dimensions, notamment dans les domaines naval, aéronautique et spatial, du bâtiment et des travaux publics, des ponts et chaussées ou encore des transports terrestres.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure ',sandwich", caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes
- une étape de fabrication de panneaux élémentaires (6) comportant deux peaux minces (2) collées directement sur une âme centrale (1),
- une étape d'assemblage des panneaux élémentaires (6) en une structure de grandes dimensions.
2 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fabrication de panneaux élémentaires (6) comprend les opérations suivantes
- un traitement de l'âme (1) en vue d'un bon accrochage des peaux minces (2),
- une fabrication de peaux minces (2) à partir de tissu fibreux et de résine,
- un traitement de surface des peaux minces (2),
- un collage des peaux minces (2) sur l'âme traitée (1).
3 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement de l'âme 1 est réalisé par action chimique ou mécanique, ou est constitué par l'application d'un primaire.
4 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement de surface des peaux minces (2) est réalisé par la mise en place d'un tissu à délaminer.
5 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collage est réalisé au moyen d'une colle structurelle.
6 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon l'une des revendications 2 ou 5, caractérisé en ce que le collage est réalisé sous presse ou sous vide.
7 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'assemblage des panneaux élémentaires (6) comporte les opérations suivantes
- un traitement surfacique d'une face des panneaux élémentaires (6),
- une juxtaposition bord à bord (7) sur une surface plane (5), faces traitées au dessus, des panneaux élémentaires (6) formant la structure voulue,
- une stratification de tissus fibreux sur les faces traitées des panneaux élémentaires (6),
- une polymérisation du stratifié formant des peaux résistantes (4),
- un retournement de la structure et une répétition des quatre opérations précédentes sur les faces des panneaux élémentaires (6) non encore traitées,
- un détourage du panneau aux dimensions voulues.
8 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon l'une des revendications 2 ou 7, caractérisé en ce que les peaux minces (2) ont un grammage inférieur ou égal à celui des peaux résistantes (4).
9 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 7, caractérisé en ce que le traitement surfacique des panneaux élémentaires (6) est réalisé par arrachage des tissus à délaminer.
10 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon la revendication 7, caractérisé en ce que le retournement est réalisé au moyen de ventouses et/ou de raidisseurs.
11 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon l'une des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que les peaux minces (2) ont une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm.
12 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon l'une des revendications 1, 2, 4 ou 11, caractérisé en ce que les peaux minces (2) sont perforées.
13 - Procédé de fabrication d'un panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich" selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les tissus fibreux utilisés sont en fibres de verre.
14 - Panneau plan de grandes dimensions en matériaux composites à structure "sandwich fabriqué par le procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il présente une structure peau mince/âme/peau mince, l'interface âme/peau étant réalisée directement et uniquement par une colle.
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