FR2926241A1 - METHOD AND DEVICE FOR MOLDING A PIECE OF COMPOSITE MATERIAL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif et un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite dans lequel on injecte une résine thermoplastique à hautes performances dans une préforme (5) placée dans un moule, cette préforme (5) comportant des plis non liés entre eux.Selon l'invention, on place un organe drainant (4) ayant une haute perméabilité directement en contact avec la préforme (5), puis on place et on maintient en position chaque élément de cet ensemble ainsi obtenu dans le moule à l'aide d'un dispositif spécifique. On injecte cette résine à l'état visqueux dans le moule pour imprégner l'ensemble et on consolide la résine dans la préforme (5).The invention relates to a device and a method for molding a composite material part in which a high-performance thermoplastic resin is injected into a preform (5) placed in a mold, this preform (5) comprising unbound plies between According to the invention, a draining member (4) having a high permeability directly in contact with the preform (5) is placed, then each element of this assembly thus obtained in the mold is placed and held in position. using a specific device. This resin is injected in the viscous state into the mold in order to impregnate the assembly and the resin is consolidated in the preform (5).
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE MOULAGE D'UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces en matériau composite et notamment de pièces composites thermoplastiques à hautes performances. Les pièces en matériau composite présentent des propriétés, notamment mécaniques et chimiques, excellentes. Elles peuvent ainsi combiner une résistance élevée aux contraintes mécaniques et/ou thermiques et une forte rigidité pour une masse minimale. Elles peuvent également présenter des formes complexes. Ces matériaux composites sont donc largement mis en oeuvre dans l'industrie spatiale (satellites, sondes, lanceurs), dans l'industrie aéronautique (trappes, portes, bords d'attaque, ailerons, cloisons intérieures, ...) et dans l'industrie automobile ou ferroviaire. On connaît de nombreux procédés permettant l'imprégnation d'une préforme avec une résine liquide pour la fabrication d'une pièce composite. The present invention relates to a method for manufacturing parts made of composite material and in particular high-performance thermoplastic composite parts. Composite material parts have excellent mechanical and chemical properties. They can thus combine a high resistance to mechanical and / or thermal stresses and a high rigidity for a minimum mass. They can also have complex shapes. These composite materials are therefore widely used in the space industry (satellites, probes, launchers), in the aerospace industry (hatches, doors, leading edges, fins, interior partitions, ...) and in the automotive or railway industry. Numerous methods are known for permitting the impregnation of a preform with a liquid resin for the manufacture of a composite part.
Certains de ces procédés tels que le procédé de moulage par transfert de résine (RTM), impliquent l'injection de résine liquide dans un système clos pour imprégner la préforme, ce qui permet d'éliminer la plupart des éléments volatils dégagés par la résine. Cette injection étant réalisée sous vide, on évite ainsi le piégeage de bulles d'air et on assure la diffusion de cette résine même dans les zones peu accessibles. Bien que ce procédé RTM permette l'obtention de pièces présentant un bon état de surface, la migration de la résine se fait perpendiculairement à la section de la préforme. Le temps d'imprégnation d'une pièce de grande dimension telle qu'un panneau ou longeron est donc long et coûteux. De plus, les résines mises en oeuvre dans ce procédé RTM doivent être des résines thermodurcissables de basses viscosités de manière à assurer un bon remplissage du moule. Les résines présentant des viscosités plus importantes n'autorisent pas une imprégnation totale à basses pressions de la préforme sèche. Il peut en résulter un excès de résine accumulée dans des zones non désirées de la préforme. Some of these methods, such as the resin transfer molding (RTM) process, involve the injection of liquid resin into a closed system to impregnate the preform, thereby eliminating most of the volatile elements released by the resin. This injection is carried out under vacuum, thus avoiding entrapment of air bubbles and ensures the diffusion of this resin even in inaccessible areas. Although this RTM method makes it possible to obtain parts having a good surface state, the migration of the resin is perpendicular to the section of the preform. The impregnation time of a large piece such as a panel or spar is therefore long and expensive. In addition, the resins used in this RTM process must be thermosetting resins of low viscosities so as to ensure a good filling of the mold. Resins with higher viscosities do not allow complete impregnation at low pressures of the dry preform. This can result in an excess of resin accumulated in undesired areas of the preform.
Le procédé de moulage par infusion de résine liquide (LRI) se différencie du procédé RTM par le mode d'injection de la résine liquide. Cette résine est en effet injectée dans un diffuseur interposé entre la préforme et le moule. La résine étant répartie sur une plus grande surface, sa migration s'effectue alors dans le sens de l'épaisseur de la préforme. On peut ainsi réaliser des pièces de plus grandes dimensions et introduire des résines présentant des viscosités plus importantes. Toutefois, il n'est pas possible avec ces procédés d'injecter une préforme fibreuse constituée de différents plis de tissus structuraux non ensimés et non poudrés avec une résine thermoplastique de très haute viscosité à la température de mise en oeuvre. En effet, les pressions engendrées sont susceptibles de déformer fortement les plis de la préforme non liés entre eux puisque non poudrés ou ensimés. Il est donc typiquement nécessaire de solidariser les plis de la préforme par poudrage, ensimage ou encore par couture préalablement à l'imprégnation de la préforme ainsi obtenue avec la résine liquide. Cependant, ces étapes d'assemblage supplémentaires augmentent de manière significative la complexité et le coût de la pièce à réaliser. De plus, l'emploi de résines thermoplastiques à hautes performances (HP) nécessite une injection à hautes températures, qui dégrade les polymères d'ensimage et poudres de compactage des préformes RTM usuelles. En outre, on peut observer des mouvements parasites des plis ainsi liés dans le moule lorsque les pressions engendrées par l'injection de la résine liquide restent élevées comme, à titre illustratif, dans le cas d'une résine thermoplastique de très haute viscosité à la température de mise en oeuvre. Or, les matrices thermoplastiques présentent de nombreux avantages notamment parce qu'elles sont ductiles et offrent des possibilités de reformage (i.e. pliage) et de recyclage. Il serait donc intéressant de disposer d'un procédé et d'un moule pour la fabrication de pièces en matériau composite permettant d'empêcher tout mouvement parasite des plis lors de l'introduction de résine liquide dans le moule. The liquid resin infusion molding process (LRI) differs from the RTM process by the injection mode of the liquid resin. This resin is in fact injected into a diffuser interposed between the preform and the mold. The resin being distributed over a larger area, its migration then takes place in the direction of the thickness of the preform. It is thus possible to make larger pieces and introduce resins with higher viscosities. However, it is not possible with these methods to inject a fibrous preform consisting of different plies of non-sized and unpowdered structural fabrics with a thermoplastic resin of very high viscosity at the processing temperature. Indeed, the pressures generated are likely to strongly deform the folds of the preform not linked together since they are not powdered or sized. It is therefore typically necessary to secure the folds of the preform by dusting, sizing or sewing prior to impregnation of the preform thus obtained with the liquid resin. However, these additional assembly steps significantly increase the complexity and cost of the part to be made. In addition, the use of high performance thermoplastic resins (HP) requires a high temperature injection, which degrades the sizing polymers and compacting powders of conventional RTM preforms. In addition, parasitic movements of the folds thus bonded in the mold can be observed when the pressures generated by the injection of the liquid resin remain high, for example, in the case of a thermoplastic resin of very high viscosity at the temperature of implementation. However, thermoplastic matrices have many advantages in particular because they are ductile and offer opportunities for reforming (i.e. folding) and recycling. It would therefore be advantageous to have a method and a mold for the manufacture of composite material parts to prevent parasitic movement of the folds during the introduction of liquid resin into the mold.
L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif pour le moulage d'une pièce en matériau composite simple dans leur conception et dans leur mode opératoire, rapide et économique, permettant un maintien de la préforme fibreuse pendant l'injection de type LCM ("Liquid Composite Molding" û injection sur renforts fibreux) de la résine liquide de très haute viscosité. Avantageusement, il n'est pas nécessaire avec le procédé de l'invention de solidariser entre eux les plis de la préforme. On évite ainsi des étapes préalables onéreuses de couture ou de poudrage. Un autre objectif de l'invention est de faciliter l'entière imprégnation de la préforme quelque soit la viscosité de la résine liquide introduite dans le moule à la température de mise en oeuvre et quelque soit la température du moule. A cet effet, l'invention concerne un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite par l'injection d'une résine thermoplastique à hautes performances dans une préforme placée dans un moule, cette préforme comportant des plis non liés entre eux. Selon l'invention, on réalise les étapes suivantes : - on place un organe drainant ayant une haute perméabilité directement en contact avec la préforme, - on place et on maintient en position chaque élément de cet ensemble ainsi obtenu dans le moule, - on injecte la résine à l'état visqueux dans le moule pour imprégner cet ensemble, - on consolide la résine dans la préforme. The object of the present invention is to provide a method and a device for molding a single composite material part in their design and in their operating mode, fast and economical, allowing maintenance of the fibrous preform during injection LCM type ("Liquid Composite Molding" - injection on fibrous reinforcements) of the very high viscosity liquid resin. Advantageously, it is not necessary with the method of the invention to join together the folds of the preform. This avoids expensive preliminary sewing or dusting steps. Another object of the invention is to facilitate the complete impregnation of the preform regardless of the viscosity of the liquid resin introduced into the mold at the processing temperature and whatever the temperature of the mold. To this end, the invention relates to a method of molding a composite material part by injecting a high-performance thermoplastic resin into a preform placed in a mold, this preform having folds not bonded to each other. According to the invention, the following steps are carried out: a draining member having a high permeability directly in contact with the preform is placed, and each element of this assembly thus obtained in the mold is placed and held in position; the resin in the viscous state in the mold to impregnate this assembly, - the resin is consolidated in the preform.
On entend par organe drainant ayant une haute perméabilité que l'organe drainant a une perméabilité supérieure typiquement à 10-9 m2. Dans différents modes de réalisation de ce procédé de moulage, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - l'organe drainant est un grillage rigide, De préférence, ce grillage rigide est un grillage polymère apte à résister aux températures d'injection de la résine. A titre illustratif, on pourra citer un polymère à base verre téflonné. - préalablement à l'étape de mise en place de l'ensemble préforme/organe drainant dans le moule, on recouvre cet organe drainant d'un agent démoulant, Le traitement préalable à l'installation de la préforme et de l'organe drainant dans le moule, de cet organe avec un agent démoulant compatible avec les températures d'injection permet de faciliter le démoulage de l'organe drainant de la pièce injectée après consolidation. Cet agent démoulant est, à titre purement illustratif, un liquide ou spray démoulant hautes températures, dont un séchage à hautes températures assure la bonne tenue sur le grillage drainant. - on maintient en position chaque élément de cet ensemble organe drainant/préforme fibreuse par ses extrémités au moyen de saillies pointues, Ces saillies sont choisies de préférence dans le groupe comprenant des tiges à pointe, des picots et des combinaisons de ces éléments. Ces éléments peuvent être droits ou incurvés, de diamètre ou section variable suivant la nature de l'organe drainant et de la préforme fibreuse. - on place le volume intérieur du moule sous vide. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de moulage tel que décrit précédemment, ce dispositif comportant un moule destiné à recevoir une résine liquide pour l'imprégnation d'une préforme placée dans ce moule, cette préforme comportant des plis non liés entre eux. Selon l'invention, ce moule comporte des moyens pour maintenir en position au moins les plis de la préforme dans ce moule lors de l'injection de ladite résine liquide. The term "draining organ with a high permeability" means that the draining organ has a permeability typically greater than 10-9 m2. In different embodiments of this molding process, the present invention also relates to the following characteristics which should be considered in isolation or in all their technically possible combinations: the draining member is a rigid grid, Preferably this rigid grid is a polymeric mesh capable of withstanding the injection temperatures of the resin. By way of illustration, mention may be made of a Teflon glass-based polymer. prior to the step of placing the preform / draining body assembly in the mold, this draining body is covered with a release agent, the treatment prior to the installation of the preform and the draining organ in the mold, of this body with a release agent compatible with the injection temperatures facilitates demolding of the draining member of the injected part after consolidation. This demolding agent is, for purely illustrative purposes, a high temperature release liquid or spray, a high temperature drying of which ensures good performance on the draining mesh. each element of this draining organ / fiber preform assembly is held in position at its ends by means of pointed projections. These projections are preferably chosen from the group comprising tip rods, spikes and combinations of these elements. These elements may be straight or curved, of varying diameter or section depending on the nature of the draining organ and the fibrous preform. the internal volume of the mold is placed under vacuum. The invention also relates to a device for carrying out the molding method as described above, this device comprising a mold intended to receive a liquid resin for impregnating a preform placed in this mold, this preform comprising folds not related to each other. According to the invention, this mold comprises means for maintaining in position at least the folds of the preform in this mold during the injection of said liquid resin.
De préférence, ce dispositif comprend une première partie de moule et une deuxième partie de moule, ces parties étant destinées à coopérer pour assurer l'étanchéité du moule dans une position de moulage. Les moyens pour maintenir en position au moins les plis de la préforme comprennent des saillies placées sur la première partie de moule, chacune de ces saillies comportant une extrémité pointue et un ou plusieurs creux placés sur la deuxième partie et destinés à recevoir ces extrémités pointues lorsque les première et deuxième parties sont dans leur position de moulage. Avantageusement, ces saillies sont placées sur au moins une partie du pourtour de la partie centrale de la première partie de moule de manière à maintenir la périphérie de la préforme. Ces saillies étant placées sur le pourtour de la partie centrale de la première partie du moule, on évite ainsi d'endommager la partie centrale de la préforme. Preferably, this device comprises a first mold part and a second mold part, these parts being intended to cooperate to seal the mold in a molding position. The means for holding in position at least the folds of the preform comprise projections placed on the first mold part, each of these projections having a pointed end and one or more recesses placed on the second part and intended to receive these pointed ends when the first and second parts are in their molding position. Advantageously, these projections are placed on at least a portion of the periphery of the central portion of the first mold part so as to maintain the periphery of the preform. These projections being placed on the periphery of the central part of the first part of the mold, it is thus possible to avoid damaging the central part of the preform.
Ces saillies sont choisies de préférence dans le groupe comprenant des tiges à pointe, des picots et des combinaisons de ces éléments. Ces éléments peuvent être droits ou incurvés. Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue partielle d'une partie d'un dispositif de moulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement un ensemble préforme/organe drainant selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'organe drainant étant montré partiellement pour faire apparaître la préforme; - la figure 3 est une vue de l'ensemble polymérisé de la Figure 2, l'organe drainant ayant été partiellement retiré pour faire apparaître la pièce composite; These projections are preferably selected from the group consisting of tipped rods, spikes and combinations of these elements. These elements can be straight or curved. In various possible embodiments, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a partial view of a portion of a molding device according to a preferred embodiment of the invention; - Figure 2 shows schematically a set preform / draining member according to a preferred embodiment of the invention, the draining member being partially shown to show the preform; FIG. 3 is a view of the polymerized assembly of FIG. 2, the draining member having been partially removed to reveal the composite part;
La Figure 1 montre une vue partielle d'une partie d'un dispositif de moulage selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Ce dispositif de moulage comporte un moule comprenant une première partie de moule 1 et une deuxième partie de moule (non représentée). Ces première 1 et deuxième parties sont destinées à coopérer pour assurer l'étanchéité du moule dans une position de moulage dans laquelle la résine est injectée dans le moule pour imprégner une préforme comprenant des plis non liés entre eux. Cette première partie comporte des saillies 2 comportant chacune une extrémité pointue 3. Ces saillies 2 se présentent ici sous la forme d'une barrette de clous 2 réalisés en matériau métallique tel que de l'acier inoxydable. Leur extrémité pointue 3 sont chacune destinée à être reçue dans une cavité correspondante de la deuxième partie de moule dans la position de moulage. Figure 1 shows a partial view of a portion of a molding device according to a preferred embodiment of the invention. This molding device comprises a mold comprising a first mold part 1 and a second mold part (not shown). These first 1 and second parts are intended to cooperate to seal the mold in a molding position in which the resin is injected into the mold to impregnate a preform comprising folds not bonded together. This first portion has projections 2 each having a pointed end 3. These projections 2 are here in the form of a bar of nails 2 made of a metallic material such as stainless steel. Their pointed end 3 are each intended to be received in a corresponding cavity of the second mold part in the molding position.
Typiquement, le procédé de moulage consiste à placer un organe drainant 4 ayant une haute perméabilité directement en contact avec une préforme 5, cette dernière comportant des plis non solidarisés entre eux. On place ensuite cet ensemble préforme/organe drainant dans le moule en encastrant cet ensemble dans les clous 2 de longueur suffisante pour dépasser de l'ensemble afin de maintenir en position cet ensemble lors de l'injection de la résine à l'état visqueux dans le moule. Ces clous 2 sont placés dans la première partie 1 de moule de sorte à percer les extrémités de la préforme 5 à injecter et de ne pas endommager la partie centrale de celle-ci. Typically, the molding process consists in placing a draining member 4 having a high permeability directly in contact with a preform 5, the latter comprising folds not secured to each other. This set preform / draining member is then placed in the mold by embedding this assembly in the nails 2 of sufficient length to protrude from the assembly in order to maintain this assembly in position during the injection of the resin in the viscous state into the mold. These nails 2 are placed in the first mold part 1 so as to pierce the ends of the preform 5 to be injected and not to damage the central part thereof.
Ces saillies 2 sont de préférence placées au niveau des ports d'entrée et de sortie de la résine dans le moule, c'est-à-dire au niveau des baignoires d'entrée et de sortie de la résine. On limite alors fortement les mouvements des plis sous l'effet des fortes pressions d'injection de la résine thermoplastique à hautes performances. These projections 2 are preferably placed at the inlet and outlet ports of the resin in the mold, that is to say at the inlet and outlet baths of the resin. The movements of the folds are then strongly limited under the effect of the high injection pressures of the high-performance thermoplastic resin.
Avantageusement, le dispositif comporte des moyens pour créer le vide dans le moule (non représentés), ces moyens étant en communication de fluide avec le moule. On injecte la résine thermoplastique à hautes performances à l'état visqueux dans le moule pour imprégner l'ensemble. La haute perméabilité de l'organe drainant 4 contribue avantageusement à augmenter la perméabilité globale de la préforme 5 et à faciliter l'imprégnation de celle-ci dans le sens plan. Les pressions engendrées par l'injection de la résine dans la préforme sont également réduites par la présence de cet organe drainant 4. Advantageously, the device comprises means for creating the vacuum in the mold (not shown), these means being in fluid communication with the mold. The high performance thermoplastic resin in the viscous state is injected into the mold to impregnate the assembly. The high permeability of the draining member 4 advantageously contributes to increasing the overall permeability of the preform 5 and to facilitate the impregnation thereof in the planar direction. The pressures generated by the injection of the resin into the preform are also reduced by the presence of this draining member 4.
Enfin, on consolide la résine thermoplastique dans la préforme 5. La Figure 3 montre l'organe drainant 4 partiellement retiré pour faire apparaître la pièce composite 6 imprégnée et consolidée. Finally, the thermoplastic resin is consolidated in the preform 5. Figure 3 shows the draining member 4 partially removed to reveal the composite part 6 impregnated and consolidated.
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