FR2929165A1 - Obtaining porous preform from fibers with less quantity of resin by placing fibers in preforming tool comprising element, raising temperature of preform to obtain polymerization of resin, and maintaining fibers against preforming element - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE D'OBTENTION D'UNE PREFORME DE FIBRES ET DISPOSITIF A FAIBLE INERTIE THERMIQUE POUR SA MISE EN OEUVRE PROCESS FOR OBTAINING A FIBER PREFORM AND DEVICE WITH LOW THERMAL INERTIA FOR ITS IMPLEMENTATION
La présente invention se rapporte à un procédé d'obtention d'une préforme de fibres ainsi qu'à un dispositif à faible inertie thermique pour sa mise en oeuvre. Une préforme de fibres est un produit intermédiaire poreux qui est par la suite noyé dans une matrice pour obtenir une pièce en matériaux composites, par exemple par injection ou par infusion de résine sous forme liquide ou de film. Une préforme de fibres est obtenue en solidarisant entre elles différentes fibres, notamment des nappes de fibres, avec un liant, notamment une faible quantité de résine, par exemple sous forme de poudre ou de voile. La rigidité de la préforme permet de la découper à la géométrie de la pièce à 10 réaliser et de la manipuler plus facilement notamment lors de sa mise en place dans un moule. Selon une technique connue, le procédé de préformage consiste à draper des bandes de fibres sur un élément rigide et plein tel qu'un poinçon ou une matrice. Pour assurer un effet de contre forme, un sac à vide (ou une vessie déformable) 15 permet d'exercer une pression sur les bandes de fibres et de les plaquer contre l'élément rigide et plein. Pour augmenter la précision dimensionnelle, les bandes de fibres peuvent être placées entre deux éléments rigides et pleins tels qu'un moule et un contre moule. Pour aboutir à une préforme, les bandes de fibres doivent subir une élévation de 20 température pour assurer la liaison entre les fibres, notamment grâce à la polymérisation d'une faible quantité de résine utilisée comme liant. The present invention relates to a process for obtaining a fiber preform and to a low thermal inertia device for its implementation. A fiber preform is a porous intermediate product which is subsequently embedded in a matrix to obtain a piece of composite materials, for example by injection or by infusion of resin in liquid or film form. A fiber preform is obtained by joining together various fibers, in particular fiber sheets, with a binder, in particular a small amount of resin, for example in the form of powder or haze. The rigidity of the preform makes it possible to cut it to the geometry of the part to be made and to handle it more easily, especially when it is placed in a mold. According to a known technique, the preforming process consists in draping fiber strips on a rigid and solid element such as a punch or a matrix. To ensure a counterform effect, a vacuum bag (or a deformable bladder) makes it possible to exert pressure on the fiber strips and to press them against the rigid and solid element. To increase the dimensional accuracy, the fiber strips can be placed between two rigid and solid elements such as a mold and a counter mold. In order to obtain a preform, the fiber strips must undergo a rise in temperature in order to ensure the connection between the fibers, in particular by the polymerization of a small amount of resin used as binder.
Pour la suite de la description, les éléments enserrant les bandes de fibres sont appelés outillage et comprennent au moins un élément rigide et plein en contact avec lesdites bandes de fibres. Selon un mode de réalisation, l'outillage et les bandes de fibres sont placés dans 5 une étuve pour assurer l'élévation de température. En variante, l'outillage peut être équipé de son système de chauffage, par exemple, un système de chauffage électrique sous forme de résistances intégrées dans des cavités ménagées dans l'outillage ou un système de chauffage par fluide caloporteur circulant dans des cavités ménagées dans l'outillage. 10 En complément, une pression est exercée sur les bandes de fibres pour conférer une précision dimensionnelle à la préforme. Enfin, les bandes de fibres sont refroidies. Lors de cette phase de refroidissement, les fibres sont maintenues sous pression jusqu'à un certain seuil de température pour éviter une déformation de la préforme. 15 Selon les différentes variantes, le transfert de chaleur vers la préforme est obtenu essentiellement par conduction de l'outillage, notamment de l'élément rigide et plein. Par conséquent, la durée du cycle de température (montée et descente) est liée au cycle de température de l'outillage. Compte tenu de l'inertie thermique 20 importante de l'outillage et du transfert thermique par conduction, on obtient une durée de cycle importante, ne permettant pas d'envisager une production en continue et automatisée afin d'augmenter significativement la productivité. Par ailleurs, selon une autre problématique, on note que les techniques existantes ne permettent pas d'obtenir une température homogène de la préforme lors du 25 cycle de température, les zones de la préforme en contact avec la partie de l'outillage chauffée ayant une température différente de celle du coeur de la préforme. For the rest of the description, the elements enclosing the fiber strips are called tooling and comprise at least one rigid and solid element in contact with said fiber strips. According to one embodiment, the tooling and the fiber strips are placed in an oven to ensure the temperature rise. As a variant, the tooling may be equipped with its heating system, for example an electric heating system in the form of resistors integrated into cavities provided in the tooling or a heat-transfer fluid heating system circulating in cavities formed in tooling. In addition, pressure is exerted on the fiber webs to impart dimensional accuracy to the preform. Finally, the fiber strips are cooled. During this cooling phase, the fibers are held under pressure up to a certain temperature threshold to prevent deformation of the preform. According to the different variants, the heat transfer to the preform is obtained essentially by conduction of the tooling, in particular of the rigid and solid element. Therefore, the duration of the temperature cycle (rise and fall) is related to the temperature cycle of the tooling. Given the high thermal inertia of the tooling and the heat transfer by conduction, we obtain a significant cycle time, not allowing to consider a continuous and automated production to significantly increase productivity. Furthermore, according to another problem, it is noted that the existing techniques do not make it possible to obtain a homogeneous temperature of the preform during the temperature cycle, the zones of the preform in contact with the part of the heated tool having a temperature different from that of the heart of the preform.
Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé d'obtention d'une préforme permettant d'augmenter la productivité. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'obtention d'une préforme poreuse à partir de fibres liées grâce à une faible quantité de résine, consistant à placer lesdites fibres dans un outillage de préformage comprenant au moins un élément de conformage, à élever la température de la préforme de manière à obtenir la polymérisation de la résine, à maintenir plaquer les fibres contre l'élément de conformage jusqu'à ce que la température de la préforme descende en dessous d'un certain seuil, l'élévation de température étant obtenue grâce à un transfert thermique entre au moins une source de chaleur et la préforme, caractérisé en ce que ledit transfert thermique se fait par convection au travers de l'outillage de préformage. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va 15 suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue latérale illustrant schématiquement un dispositif selon l'invention, - la figure 2A est une coupe illustrant une première variante d'une partie de 20 l'outillage, - la figure 2B est une coupe illustrant une deuxième variante d'une partie de l'outillage, - la figure 2C est une coupe illustrant une troisième variante d'une partie de l'outillage, 25 - la figure 3 est une coupe illustrant schématiquement un outillage selon l'invention, - la figure 4 est une coupe transversale d'une partie d'une préforme illustrant les différentes bandes de fibres, et la figure 5 est un diagramme illustrant différentes courbes de montée en température de différentes variantes d'outillage ainsi que le gain obtenu grâce à un outillage selon l'invention. Sur les figures 3 et 4, on a représenté en 10 une préforme constituée de fibres liées par un liant. L'invention n'est aucunement limitée à une géométrie de préforme. Toutefois, le procédé selon l'invention est plus particulièrement destiné à la fabrication d'une poutre à section en U destinée à la construction aéronautique. Selon un mode de réalisation, la préforme 10 est réalisée à partir de bandes 12 de fibres superposées. Ces bandes de fibres ou nappes de fibres peuvent être tissées ou non. En fonction des caractéristiques recherchées, les fibres peuvent être en différents matériaux. Comme liant, on utilise au moins une résine. Selon les cas, la résine peut enrober les fibres ou se présenter sous forme de film, de voile, de poudre ou autre. Also, the present invention aims to overcome the disadvantages of the prior art by providing a method of obtaining a preform for increasing productivity. For this purpose, the subject of the invention is a process for obtaining a porous preform from bound fibers by means of a small quantity of resin, consisting in placing said fibers in a preforming tool comprising at least one conforming element. to raise the temperature of the preform so as to obtain the polymerization of the resin, to keep the fibers pressed against the shaping element until the temperature of the preform falls below a certain threshold; temperature rise being obtained through a heat transfer between at least one heat source and the preform, characterized in that said heat transfer is by convection through the preforming tool. Other features and advantages will become apparent from the following description of the invention, a description given by way of example only, with reference to the appended drawings in which - FIG. 1 is a side view schematically illustrating a device according to the invention. FIG. 2A is a section illustrating a first variant of a portion of the tool; FIG. 2B is a section illustrating a second variant of part of the tool; FIG. illustrating a third variant of a portion of the tooling; FIG. 3 is a cross section schematically illustrating tooling according to the invention; FIG. 4 is a cross section of a part of a preform illustrating the different bands; of fibers, and Figure 5 is a diagram illustrating different temperature rise curves of different tool variants and the gain obtained through a tool according to the invention. In Figures 3 and 4, there is shown at 10 a preform made of fibers bound by a binder. The invention is in no way limited to a preform geometry. However, the process according to the invention is more particularly intended for the manufacture of a U-section beam intended for aeronautical construction. According to one embodiment, the preform 10 is made from strips 12 of superposed fibers. These fiber strips or fiber webs can be woven or not. Depending on the desired characteristics, the fibers can be in different materials. As binder, at least one resin is used. Depending on the case, the resin may coat the fibers or be in the form of film, veil, powder or other.
Les bandes ou nappes de fibres sont légèrement imprégnées de résine (de l'ordre de 5% en masse) pour donner une cohésion à l'empilement de bandes ou de nappes après un compactage à chaud afin d'obtenir une préforme de fibres. Cependant, la préforme reste suffisamment poreuse pour être perméable à la résine et permettre son injection. The strips or layers of fibers are slightly impregnated with resin (of the order of 5% by weight) to give a cohesion to the stack of strips or sheets after hot compaction in order to obtain a fiber preform. However, the preform remains sufficiently porous to be permeable to the resin and allow its injection.
Selon une première variante, les bandes de fibres 12 sont disposées sur un élément de conformage 14 appelé également moule, poinçon ou autre, et recouverte par une vessie de compactage et placées en étuve. Selon une autre variante, les bandes de fibres 12 sont placées entre un moule et un contre moule formant une presse chauffante. Un dispositif plus particulièrement adapté pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention sera décrit ultérieurement. Dans tous les cas, la préforme 10 est en contact avec au moins un élément de conformage 14 de l'outillage suffisamment rigide pour conférer à la préforme la géométrie requise. In a first variant, the fiber strips 12 are arranged on a shaping element 14 also called mold, punch or other, and covered by a compaction bladder and placed in an oven. According to another variant, the fiber strips 12 are placed between a mold and a counter mold forming a heating press. A device more particularly adapted for implementing the method of the invention will be described later. In all cases, the preform 10 is in contact with at least one shaping element 14 of the tooling sufficiently rigid to give the preform the required geometry.
Selon les formes de la préforme à obtenir, l'élément de conformage 14 peut être plan, comme illustré sur la figure 3, avoir une surface de contact en forme de U, comme illustré sur les figures 2A à 2C, ou avoir tout autre forme. Pour assurer la liaison entre les fibres de la préforme 10 en matériau composite, il est nécessaire d'augmenter la température pour obtenir la polymérisation de la faible quantité de résine. Avantageusement, une pression est exercée lors de la polymérisation afin d'obtenir la précision dimensionnelle requise de la préforme 10. De préférence, lors de la phase de refroidissement, la pression doit être maintenue jusqu'à un seuil déterminé de température pour garantir la géométrie. A l'issue de ce procédé, on obtient une pièce poreuse qui sera par la suite noyée dans une matrice. Selon l'invention, les échanges thermiques entre au moins une source de chaleur ou de froid et la préforme 10 se font par convection au travers de l'outillage de préformage, plus particulièrement à travers au moins un élément de conformage 14. A cet effet, l'outillage, notamment ledit élément de conformage 14, est poreux de manière à permettre à un fluide caloporteur de le traverser, ladite porosité étant ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Depending on the shapes of the preform to be obtained, the shaping element 14 may be plane, as illustrated in FIG. 3, have a U-shaped contact surface, as illustrated in FIGS. 2A to 2C, or have any other shape . To ensure the connection between the fibers of the preform 10 of composite material, it is necessary to increase the temperature to obtain the polymerization of the small amount of resin. Advantageously, a pressure is exerted during the polymerization in order to obtain the required dimensional accuracy of the preform 10. Preferably, during the cooling phase, the pressure must be maintained up to a determined temperature threshold to guarantee the geometry . At the end of this process, a porous piece is obtained which will subsequently be embedded in a matrix. According to the invention, the heat exchange between at least one source of heat or cold and the preform 10 is by convection through the preforming tool, more particularly through at least one shaping element 14. For this purpose , the tooling, in particular said shaping element 14, is porous so as to allow a heat-transfer fluid to pass therethrough, said porosity being adjusted so as to be permeable to a coolant.
Selon un première variante, la porosité de l'élément de conformage 14 est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Selon une autre variante, l'élément de conformage 14 comprend une pluralité d'orifices autorisant le passage d'un fluide caloporteur, lesdits orifices étant obturés par des moyens dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. Dans ce cas, la surface de l'élément de conformage 14 en contact avec la préforme peut comprendre un film dont la porosité est ajustée afin d'être perméable à un fluide caloporteur. According to a first variant, the porosity of the shaping element 14 is adjusted so as to be permeable to a heat transfer fluid. According to another variant, the shaping element 14 comprises a plurality of orifices permitting the passage of a heat transfer fluid, said orifices being closed by means whose porosity is adjusted so as to be permeable to a coolant. In this case, the surface of the shaping element 14 in contact with the preform may comprise a film whose porosity is adjusted so as to be permeable to a coolant.
Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2A, l'élément de conformage 14 comprend des orifices 16 obtenus par usinage. Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 2B, l'élément de conformage 14 est obtenu à partir d'une tôle 18 ajourée, éventuellement pliée selon les formes de la préforme à réaliser. Selon les besoins, au moins un renfort 20 est prévu pour limiter les déformations de la tôle ajourée lors du procédé. Selon un troisième mode de réalisation illustré sur la figure 2C, l'élément de conformage 14 comprend une structure 22 pour conférer audit élément 14 sa rigidité et au moins une grille ajourée 24 tendue sur ladite structure 22. Selon une autre caractéristique de l'invention, le transfert thermique en direction de la préforme est dynamique et obtenu par diffusion d'un gaz caloporteur à travers l'outillage de préformage et la préforme. Compte tenu de la faible quantité de résine et du sens de soufflage du gaz 15 caloporteur en direction de la préforme, il n'est pas nécessaire de prévoir un outillage imperméable à la résine. Dans la mesure où la préforme 10 est suffisamment perméable à la résine, elle est perméable au gaz caloporteur, ce qui assure une variation en température plus rapide au coeur de la préforme et des températures plus homogènes à 20 l'intérieur de la préforme. Selon un autre avantage de l'invention, comme illustré par figure 5, on constate que la montée en température est plus rapide, comme le refroidissement, grâce à la masse réduite de l'outillage en raison de sa conception et de la présence d'orifices 16 qui améliorent également le coefficient d'échange thermique. Le 25 cycle de montée et de descente de la température de l'outillage étant plus court, on obtient un meilleur taux d'utilisation de l'outillage, permettant des opérations de drappage et de manutention plus longues. According to a first embodiment illustrated in FIG. 2A, the shaping element 14 comprises orifices 16 obtained by machining. According to a second embodiment illustrated in FIG. 2B, the shaping element 14 is obtained from a perforated plate 18, possibly folded according to the shapes of the preform to be produced. Depending on the requirements, at least one reinforcement 20 is provided to limit the deformations of the perforated sheet during the process. According to a third embodiment illustrated in FIG. 2C, the shaping element 14 comprises a structure 22 for conferring on said element 14 its rigidity and at least one perforated grid 24 stretched on said structure 22. According to another characteristic of the invention , the heat transfer towards the preform is dynamic and obtained by diffusion of a heat transfer gas through the preforming tool and the preform. Given the small amount of resin and the direction of blowing of the heat transfer gas towards the preform, it is not necessary to provide a tool impervious to the resin. Insofar as the preform 10 is sufficiently permeable to the resin, it is permeable to the heat-transfer gas, which ensures a faster temperature change in the core of the preform and more homogeneous temperatures within the preform. According to another advantage of the invention, as illustrated by FIG. 5, it can be seen that the rise in temperature is faster, such as cooling, thanks to the reduced mass of the tooling because of its design and the presence of orifices 16 which also improve the heat exchange coefficient. As the cycle of raising and lowering the tool temperature is shorter, a better utilization rate of the tooling is obtained, allowing longer draping and handling operations.
En présence des orifices, il est possible de chauffer en même temps le poinçon et les bandes de fibres posées dessus. On a constaté qu'il n'est pas nécessaire que la température du poinçon monte à la température de préformage, à savoir la température de polymérisation de la résine, pour atteindre la température de préformage des bandes de fibres car ces dernières ont une inertie thermique encore plus faible que le poinçon. Ainsi, la durée du cycle de préformage (montée et descente de température) est encore plus réduite, ce qui améliore encore la productivité de la machine. Sur la figure 4, on a représenté une préforme 10 comprenant six plis superposés. In the presence of the orifices, it is possible to heat at the same time the punch and the fiber strips laid on it. It has been found that it is not necessary for the temperature of the punch to rise to the preforming temperature, namely the polymerization temperature of the resin, to reach the preforming temperature of the fiber strips because the latter have a thermal inertia even weaker than the punch. Thus, the duration of the preforming cycle (rise and fall of temperature) is even shorter, which further improves the productivity of the machine. In Figure 4, there is shown a preform 10 comprising six superimposed folds.
Une sonde 26 est placée entre le troisième et quatrième plis afin de mesurer les évolutions de température. Des moyens 28 sont prévus pour plaquer les bandes de fibres contre l'élément de conformage 14 ainsi que des moyens 30 pour générer un flux d'air chaud placés sous ledit élément de conformage 14. Sur la figure 5, on a représenté des courbes illustrant la montée en température de ladite préforme 10, la courbe 32 correspondant à un outillage comportant une plaque pleine (non poreuse) de 1 mm et la courbe 34 correspondant à un outillage avec une plaque perforée de 1 mm. La courbe 36 illustre le gain entre la plaque pleine et la plaque perforée. Le gain maximal est atteint au bout de 120 secondes et sa valeur est de 25%. A probe 26 is placed between the third and fourth folds in order to measure the changes in temperature. Means 28 are provided for pressing the fiber strips against the shaping element 14 as well as means 30 for generating a flow of hot air placed under said shaping element 14. In FIG. 5, curves illustrating FIG. the temperature rise of said preform 10, the curve 32 corresponding to a tool comprising a solid plate (non-porous) of 1 mm and the curve 34 corresponding to a tool with a perforated plate of 1 mm. Curve 36 illustrates the gain between the solid plate and the perforated plate. The maximum gain is reached after 120 seconds and its value is 25%.
Sur la figure 1, on a représenté un dispositif selon l'invention permettant de réaliser en continu un profilé en matériau composite continu, notamment une poutre à section en U. Ce dispositif comprend un poinçon 40 sur lequel sont déposées des bandes de fibres pré-imprégnées. Cette opération de dépose peut être automatisée. FIG. 1 shows a device according to the invention making it possible to continuously produce a continuous composite material profile, in particular a U-section beam. This device comprises a punch 40 on which are deposited strips of pre-formed fibers. nets. This removal operation can be automated.
Des moyens permettent d'assurer la translation du poinçon 40 sur un bâti 42 de manière à traverser un premier poste 44 de mise en forme, un deuxième poste 46 de mise en pression et éventuellement un dernier poste de calibrage 48 permettant par exemple de tronçonner le profilé obtenu en continu ou d'usiner la préforme aux côtes finales. Le poste 44 de mise en forme comprend des galets, prévus de part et d'autre du poinçon, pour rabattre les bords des bandes de fibres contre les parois latérales du poinçon lorsque ce dernier défile à l'intérieur dudit poste 44. Des premiers moyens 50 pour générer un flux d'air chaud peuvent être prévus au niveau du poste 44 pour ramollir les bandes de fibres. Des seconds moyens 52 pour générer un flux d'air chaud sont placés sous le poinçon et intercalés entre les postes 44 et 46 afin de chauffer la préforme 10 jusqu'à la température de polymérisation de la résine. Le poste 46 de mise en pression comprend des éléments presseurs tels que des galets ou des plaques exerçant une pression sur les bandes de fibres et les plaquant contre le poinçon lorsque ce dernier défile dans ledit poste 46. Des troisièmes moyens 54 pour générer un flux d'air chaud peuvent être prévus au 15 niveau du poste 46 pour maintenir la préforme à une certaine température lors de la mise en pression. Selon l'invention, le poinçon 40 a une faible inertie thermique et les échanges thermiques avec la préforme fibreuse à travers le poinçon poreux 40 se font essentiellement par convection. Ainsi, on obtient une variation de température au 20 niveau de la préforme plus rapide et des montées en température du poinçon moins importantes. Par conséquent, il est possible de réaliser des préformes en continu et d'augmenter significativement la productivité. Comme indiqué précédemment, le poinçon 40 comprend des orifices qui permettent d'une part de réduire la masse dudit poinçon et donc de réduire 25 l'inertie thermique, et d'autre part, d'augmenter le coefficient d'échange par convection. Ce mode de réalisation permet d'augmenter significativement la vitesse limite d'avancement du poinçon dans le dispositif et donc la productivité dudit dispositif. Means make it possible to translate the punch 40 onto a frame 42 so as to pass through a first forming station 44, a second pressurizing station 46 and possibly a last calibration station 48 making it possible, for example, to cut the profile obtained continuously or to machine the preform with final ribs. The forming station 44 comprises rollers, provided on either side of the punch, for folding the edges of the fiber strips against the side walls of the punch when the latter rolls inside said station 44. First means 50 to generate a flow of hot air may be provided at the station 44 to soften the fiber strips. Second means 52 for generating a flow of hot air are placed under the punch and inserted between the stations 44 and 46 in order to heat the preform 10 to the polymerization temperature of the resin. The pressurizing station 46 comprises pressing elements such as rollers or plates exerting pressure on the fiber strips and pressing them against the punch when the latter is moving in said station 46. Third means 54 for generating a flow of Hot air may be provided at station 46 to maintain the preform at a certain temperature during pressurization. According to the invention, the punch 40 has a low thermal inertia and the heat exchange with the fibrous preform through the porous punch 40 is essentially by convection. Thus, a faster temperature change at the preform and lower punch temperature increases are achieved. As a result, continuous preforms can be made and productivity can be significantly increased. As indicated above, the punch 40 comprises orifices which make it possible, on the one hand, to reduce the mass of said punch and thus to reduce the thermal inertia, and, on the other hand, to increase the convective exchange coefficient. This embodiment makes it possible to significantly increase the limit speed of advance of the punch in the device and therefore the productivity of said device.
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