FR2958576A1 - Tool such as open mold for forming composite materials in an organic matrix, comprises a refractory concrete comprising mineral aggregates associated with a hydraulic binder having cement and reinforced with fibers - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un outillage utilisé pour la mise en oeuvre de composites à matrice organique par des procédés par voie liquide et voie préimprégée. Le domaine considéré ici est la mise en forme de matériaux composites qui présentent généralement des fibres longues et une matrice organique. Les principaux procédés utilisés pour une telle mise en forme appartiennent à deux catégories : les procédés par voie liquide et les procédés par voie sèche. Ils sont utilisés pour la réalisation de pièces de grande taille généralement dans le domaine de la construction aéronautique (nacelle, pièce d'habillage, ... ), de la construction navale (pièces composites pour les navires), etc.. Dans un procédé à voie liquide, la matrice (polymère) est à l'état liquide avant la mise en forme du matériau. Plusieurs procédés sont concernés ici, tels par exemple le procédé VARTM (de l'anglais Vacuum Assisted Resin Transfer Molding se traduisant en français par moulage par transfert de résine sous vide) ou bien un procédé LRI (de l'anglais Liquid Infusion Resin se traduisant en français par procédé d'infusion de résine). Dans un procédé par voie sèche, la matrice polymère et les fibres sont liées avant la mise en forme de la pièce et lors de la mise en oeuvre du procédé, la résine devient visqueuse avant polymérisation ou est mise en fusion (selon le type de résine utilisée). Parmi ces procédés, il y a par exemple : le drapage de préimprégnés, la dépose filamentaire discontinue ou continue, l'emboutissage et l'estampage. Dans ces procédés, des températures allant jusqu'à environ 450°C, rarement jusqu'à 500°C, sont mises en oeuvre. Les outillages, appelés aussi moules, mis en oeuvre sont idéalement réalisés dans un métal appelé Invar (marque déposée). II s'agit d'un alliage métallique contenant une forte proportion de nickel (>36%) et présentant la particularité d'avoir un très faible coefficient de dilatation (de l'ordre de 0,5 10-6) en-dessous de 200°C. Un tel métal étant d'une part très onéreux et d'autre part dense, il est connu de réaliser également des outillages en matériaux composites (avec des fibres et des polymères). De tels outillages présentent l'inconvénient d'être eux aussi onéreux et présentent des problèmes de durabilité. La résine se détériore lors des cycles de variation de température et est aussi sensible aux agressions extérieures conduisant à des rayures. En outre, il se pose des problèmes de recyclage de tels outillages. Lorsque les températures à atteindre sont limitées, il est connu également d'utiliser des outillages en acier ou en alliage à base d'aluminium. Comme indiqué, ces outillages présentent une plage d'utilisation en température limitée si l'on souhaite limiter les déformations par dilatation et les matériaux utilisés demandent, comme pour l'Invar, un délai de fabrication, notamment usinage, relativement long. La présente invention concerne plus particulièrement les procédés mettant en oeuvre de moules ouverts. II s'agit par exemple d'un procédé VARTM 10 ou bien la plupart des procédés par voie sèche. La présente invention a alors pour but de fournir un matériau pour la réalisation d'outillages utilisés pour la mise en forme de pièces composites à matrice organique qui présente un prix de revient inférieur aux matériaux connus utilisés tout en assurant une bonne conductivité thermique, un faible coefficient de 15 dilatation afin d'obtenir une grande stabilité pour les températures considérées (en deçà de 500°C). À cet effet, elle propose un outil pour la mise en forme de matières composites à matrice organique, caractérisé en ce qu'il est réalisé dans un béton réfractaire comportant des agrégats minéraux liés à l'aide d'un liant hydraulique, à 20 faible teneur en ciment et renforcé de fibres, en ce que les agrégats constituent entre 60% et 99% en poids de la composition du béton, en ce qu'au moins 50% en poids des agrégats sont formés de carbure de silicium, et en ce que le ciment est un ciment alumineux contenant majoritairement de l'alumine (>50%). Le fait de réaliser un tel outil dans un béton réfractaire est tout à fait 25 inédit par rapport à l'art antérieur de la présente invention et il permet de notamment améliorer les performances de l'outil tout en limitant son prix de revient. Un tel outil, grâce notamment aux agrégats choisis, permet aussi de limiter le coefficient de dilatation thermique. Dans une forme de réalisation préférée, permettant notamment 30 d'obtenir de bonnes performances pour l'outil (bonne conductivité thermique et faible coefficient de dilatation), les agrégats sont de préférence composés à 85% en poids de carbure de silicium. Dans un outil selon la présente invention, les agrégats utilisés, outre le carbure de silicium, sont par exemple choisis dans l'ensemble comportant le graphite, la bauxite, la mullite, l'andalousite, la chamotte, l'alumine tabulaire et/ou le corindon. Toujours dans le but d'avoir des bonnes performances de l'outil final, il est préférable que les agrégats présentent une taille maximale comprise entre 1 et 10 mm. The present invention relates to a tool used for the implementation of organic matrix composites by liquid and prepreg processes. The field considered here is the shaping of composite materials which generally have long fibers and an organic matrix. The main processes used for such shaping fall into two categories: liquid processes and dry processes. They are used for the production of large parts generally in the field of aeronautical construction (nacelle, trim part, ...), shipbuilding (composite parts for ships), etc. In a process in a liquid way, the matrix (polymer) is in the liquid state before forming the material. Several processes are concerned here, such as, for example, the VARTM (English Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) process or a LRI (Liquid Infusion Resin) process. in French by resin infusion process). In a dry process, the polymer matrix and the fibers are bonded before forming the workpiece and during the implementation of the process, the resin becomes viscous before polymerization or is melted (depending on the type of resin used). These methods include, for example: draping of prepregs, discontinuous or continuous filament removal, stamping and stamping. In these processes, temperatures up to about 450 ° C, rarely up to 500 ° C, are used. The tools, also called molds, implemented are ideally made in a metal called Invar (registered trademark). It is a metal alloy containing a high proportion of nickel (> 36%) and having the particularity of having a very low coefficient of expansion (of the order of 0.5 10-6) below 200 ° C. Since such a metal is on the one hand very expensive and, on the other hand, dense, it is also known to produce tools made of composite materials (with fibers and polymers). Such tools have the disadvantage of being too expensive and have problems of durability. The resin deteriorates during cycles of temperature variation and is also sensitive to external aggressions leading to scratches. In addition, there are problems of recycling such tools. When the temperatures to be reached are limited, it is also known to use steel or aluminum alloy tooling. As indicated, these tools have a limited temperature range of use if it is desired to limit the deformation by expansion and the materials used require, as for the Invar, a manufacturing time, including machining, relatively long. The present invention relates more particularly to processes using open molds. This is for example a VARTM process or most of the dry processes. The object of the present invention is therefore to provide a material for the production of tools used for the shaping of organic matrix composite parts which has a cost price lower than the known materials used while ensuring good thermal conductivity, a low coefficient of expansion to obtain a high stability for the considered temperatures (below 500 ° C). For this purpose, it proposes a tool for shaping organic matrix composite materials, characterized in that it is made of a refractory concrete comprising bound mineral aggregates using a hydraulic binder, at a low cement content and fiber-reinforced, in that the aggregates constitute between 60% and 99% by weight of the concrete composition, in that at least 50% by weight of the aggregates are formed of silicon carbide, and in that that the cement is an aluminous cement mainly containing alumina (> 50%). The fact of making such a tool in a refractory concrete is quite new compared to the prior art of the present invention and it allows in particular to improve the performance of the tool while limiting its cost. Such a tool, thanks in particular to the selected aggregates, also limits the coefficient of thermal expansion. In a preferred embodiment, which makes it possible in particular to obtain good performance for the tool (good thermal conductivity and low coefficient of expansion), the aggregates are preferably composed of 85% by weight of silicon carbide. In a tool according to the present invention, the aggregates used, in addition to silicon carbide, are for example chosen from the group consisting of graphite, bauxite, mullite, andalusite, chamotte, tabular alumina and / or the corundum. Still in order to have good performance of the final tool, it is preferable that the aggregates have a maximum size of between 1 and 10 mm.
La teneur en poids du ciment dans un outil selon la présente invention, par rapport au poids total de l'outil, est par exemple inférieure à 10%, de préférence inférieure à 2%. Les fibres utilisées pour la fabrication d'un outil selon la présente invention sont avantageusement choisies dans l'ensemble contenant les fibres métalliques, les fibres minérales, les fibres polymères et les fibres naturelles. Pour des raisons mécaniques, les fibres présentent avantageusement une longueur comprise entre 5 et 100 mm et un diamètre inférieur à 2 mm. De cette manière, les fibres permettent d'assurer une bonne cohésion du béton réfractaire sans endommager la structure de celui-ci. The weight content of the cement in a tool according to the present invention, relative to the total weight of the tool, is for example less than 10%, preferably less than 2%. The fibers used for the manufacture of a tool according to the present invention are advantageously chosen from the assembly containing the metal fibers, the mineral fibers, the polymer fibers and the natural fibers. For mechanical reasons, the fibers advantageously have a length of between 5 and 100 mm and a diameter of less than 2 mm. In this way, the fibers make it possible to ensure good cohesion of the refractory concrete without damaging the structure of the latter.
Une forme de réalisation préférée de l'invention prévoit que la fraction volumique des fibres dans le béton réfractaire est comprise entre 0,1 et 10%. La présente invention est plus particulièrement adaptée au cas où l'outil en béton selon l'invention est un moule ouvert. La présente invention concerne également l'utilisation d'un béton réfractaire résistant à des températures allant au moins jusqu'à 500°C, comportant des agrégats minéraux comportant majoritairement du carbure de silicium, liés à l'aide d'un liant hydraulique, à faible teneur en ciment alumineux et renforcé de fibres pour la réalisation d'un outil pour la mise en forme de matières composites à matrice organique. A preferred embodiment of the invention provides that the volume fraction of the fibers in the refractory concrete is between 0.1 and 10%. The present invention is more particularly adapted to the case where the concrete tool according to the invention is an open mold. The present invention also relates to the use of a refractory concrete resistant to temperatures of at least up to 500 ° C., comprising mineral aggregates predominantly comprising silicon carbide, linked by means of a hydraulic binder, to Low content of aluminous and fiber-reinforced cement for the realization of a tool for the shaping of organic matrix composite materials.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, décrivant un mode de réalisation préféré et des variantes. La description ci-dessous concerne la réalisation d'un outillage de mise en oeuvre de composites à matrice organique par des procédés voie liquide et voie préimprégnée. De façon originale, cet outillage est réalisé dans un béton réfractaire à liant hydraulique renforcé de fibres. L'outillage dont il est question ici est aussi appelé couramment moule. La présente invention concerne plus particulièrement les moules ouverts, c'est-à-dire des moules dans lesquels la matière à mouler est apportée dans le moule et vient au contact du moule sur une seule face. The present invention will be better understood from the following description, describing a preferred embodiment and variants. The description below relates to the production of tools for using organic matrix composites by liquid and prepreg methods. In an original way, this tooling is made of refractory concrete with a hydraulic binder reinforced with fibers. The tools discussed here are also commonly called molds. The present invention relates more particularly to open molds, that is to say molds in which the molding material is brought into the mold and comes into contact with the mold on one side.
Plusieurs types de bétons réfractaires peuvent être utilisés ici et sont décrits ci-après. Les bétons réfractaires considérés sont, de manière classique, constitués d'agrégats, de fines, d'ultrafines, d'additifs, d'une matrice cimentaire et de porosités. Several types of refractory concretes can be used here and are described hereinafter. The refractory concretes considered are conventionally made up of aggregates, fines, ultrafine, additives, a cement matrix and porosities.
Les agrégats choisis ici sont des oxydes, des carbures ou des nitrures sous forme cristallisée ou amorphe. Ils constituent entre 60 et 99% de la composition du béton réfractaire utilisé pour former l'outil. Les agrégats peuvent être notamment de la bauxite, de la mullite, de l'andalousite, de la chamotte, de l'alumine tabulaire, du carbure de silicium ou du corindon. La taille maximale des agrégats peut varier de 1 à 10 mm. Parmi ces agrégats, la majorité est formée de carbure de silicium. On a donc dans le béton réfractaire utilisé pour former l'outillage au moins 30 à 50% de carbure de silicium (SiC). De préférence, 85% en poids des agrégats utilisés dans le béton réfractaire pour réaliser un outillage selon la présente invention est formé de carbure de silicium. The aggregates chosen here are oxides, carbides or nitrides in crystallized or amorphous form. They constitute between 60 and 99% of the composition of the refractory concrete used to form the tool. The aggregates may be in particular bauxite, mullite, andalusite, chamotte, tabular alumina, silicon carbide or corundum. The maximum size of the aggregates can vary from 1 to 10 mm. Among these aggregates, the majority is formed of silicon carbide. The refractory concrete used to form the tooling therefore contains at least 30 to 50% silicon carbide (SiC). Preferably, 85% by weight of the aggregates used in the refractory concrete to produce a tool according to the present invention is formed of silicon carbide.
La liaison des constituants dans le béton est de type hydraulique et est assurée par l'hydratation d'un ciment alumineux ajouté au béton, ce ciment appartenant au système ternaire CaO-AI2O3-SiO2. Il est qualifié de réfractaire car il présente une forte teneur en alumine (AI2O3). La teneur en alumine est de préférence supérieure à 65%. Un type de ciment qui peut être utilisé ici est commercialisé sous la marque Secar 71. Les bétons considérés pour la présente invention ont soit une basse teneur en ciment (de 2 à 10%) soit une ultra basse teneur en ciment (inférieure à 2%). Les additifs, ou adjuvants, présents dans le béton réfractaire peuvent être des solvants, des liants, des plastifiants, des accélérateurs ou retardateurs de prise, des entraîneurs d'air, des réducteurs d'eau, .... Ces additifs chimiques sont utilisés pour contrôler et modifier les propriétés du ciment notamment pour améliorer le comportement rhéologique du béton réfractaire lors d'étapes de malaxage et de coulage que l'on met en oeuvre pour la réalisation de l'outillage. À titre d'exemple illustratif et non limitatif, un additif commercialisé sous la marque Darvan 7 peut être utilisé ici. Des fibres polymères peuvent également être ajoutées dans le béton pour faciliter l'évacuation des différentes formes d'eau contenues dans le matériau, durant des étapes de séchage et de cuisson de l'outillage. Les bétons réfractaires à faible teneur en ciment, éventuellement renforcés de fibres, utilisés pour la réalisation d'un outillage selon la présente invention, peuvent être précontraints ou renforcés par des éléments continus. Un béton réfractaire utilisé pour la réalisation d'un outillage selon la présente invention supporte des températures allant jusqu'à environ 800°C sans se désagréger et en restant stable. Généralement, dans les procédés mis en oeuvre pour la mise en forme de matières composites à matrice organique, les températures atteintes sont inférieures à 450°C. Si la chaleur est apportée par le moule (outillage), il faut prévoir que celui-ci puisse supporter des températures un peu supérieures à celles au coeur de la matière mise en forme. The connection of the constituents in the concrete is of the hydraulic type and is ensured by the hydration of an aluminous cement added to the concrete, this cement belonging to the CaO-Al2O3-SiO2 ternary system. It is called refractory because it has a high alumina content (Al2O3). The alumina content is preferably greater than 65%. A type of cement that can be used here is sold under the trade name Secar 71. The concretes considered for the present invention have either a low cement content (from 2 to 10%) or an ultra low cement content (less than 2% ). The additives, or additives, present in the refractory concrete may be solvents, binders, plasticisers, accelerators or retarders of setting, air entrainers, water reducers, .... These chemical additives are used for controlling and modifying the properties of the cement, in particular for improving the rheological behavior of refractory concrete during the mixing and casting steps that are used to produce the tooling. As an illustrative and non-limiting example, an additive marketed under the trademark Darvan 7 can be used here. Polymeric fibers can also be added to the concrete to facilitate the evacuation of the various forms of water contained in the material during drying and baking steps of the tooling. Refractory concretes with a low cement content, possibly reinforced with fibers, used for producing a tool according to the present invention may be prestressed or reinforced by continuous elements. A refractory concrete used for producing a tool according to the present invention withstands temperatures up to about 800 ° C without breaking up and remaining stable. Generally, in the processes used for the shaping of organic matrix composite materials, the temperatures reached are less than 450 ° C. If the heat is provided by the mold (tooling), it should be expected that it can withstand temperatures a little higher than those at the heart of the shaped material.
L'outillage de mise en forme selon l'invention est renforcé de fibres à introduire dans le béton réfractaire à liant hydraulique. Ces fibres sont de préférence des fibres métalliques mais d'autres types de fibres peuvent être utilisés ici. Lorsque des fibres métalliques sont utilisées, celles-ci sont par exemple des fibres en acier, en titane, en aluminium, en superalliage ou en alliage de nickel, ou bien un mélange de telles fibres. Ces fibres peuvent être mises en forme par déformation plastique (tréfilage à chaud ou à froid, pliage, ...) ou bien par solidification (moulage, extraction liquide). Leur forme peut être droite, droite avec crochet, plates ou encore en forme de gouttière. Toute autre forme peut convenir également. Plus leur forme est complexe, plus l'apport des fibres sur les performances du béton réfractaire renforcé est important. La longueur des fibres peut aller de 5 mm à 100 mm. Leur diamètre ne dépasse pas de préférence 2 mm de manière à éviter que les fibres endommagent trop le béton réfractaire au moment de la cuisson de celui-ci. Dans certains cas particuliers, des microfibres de longueur inférieure à 5 mm peuvent également être envisagées. II peut aussi être envisagé d'utiliser, en plus des fibres métalliques ou en remplacement de celles-ci, des fibres minérales qui sont par exemple des fibres de verre R et/ou des fibres de verre AR et/ou des fibres de carbone et/ou des fibres à haute teneur en alumine et/ou des fibres de carbure de silicium et/ou des fibres de basalte, etc.. De même, des fibres polymères qui peuvent être par exemple des fibres de polyéthylène, de polypropylène, des fibres acryliques ou polyamides, des fibres d'aramide, de polyester, d'alcool polyvinylique (PVA) peuvent entrer dans la composition du béton réfractaire en plus ou à la place de fibres évoquées plus haut. On peut utiliser encore, à la place ou en complément des fibres précitées, des fibres naturelles telles par exemple des fibres de bois et/ou de noix de coco et/ou de jute et/ou de lin. La fraction volumique de fibres à ajouter est comprise entre 0,1% et 10%. Des renforcements hybrides, combinant différents types de fibres, peuvent aussi être utilisés. De préférence, la fraction volumique de fibres à ajouter est comprise entre 0,2% et 3%. Le béton réfractaire utilisé pour réaliser un outillage selon la présente invention peut être coulable et vibrable, autoplaçant ou projetable. Un béton réfractaire mis en forme par vibration est préférable pour obtenir des états de surface compatibles avec les procédés de mise en oeuvre des composites à matrice organique. Pour diminuer le taux de porosité du béton réfractaire, des procédés de centrifugation ou de pressage peuvent être utilisés. Les étapes de mise en oeuvre d'un béton réfractaire renforcé pour fabriquer un outil selon la présente invention sont par exemple les suivantes. Un mélange sec avec les constituants du béton réfractaire est préalablement malaxé. Si le béton est renforcé de fibres minérales ou polymères ces dernières sont incorporées au mélange sec et sont malaxées avec ce dernier. Ensuite, une quantité d'eau correspondant à la nuance de béton réfractaire utilisée est ajoutée au mélange sec. Une fois le mélange homogène, les fibres métalliques sont ajoutées. Le tout est encore malaxé quelques instants. Enfin, le mélange est coulé dans un coffrage dans lequel se trouve l'empreinte de la contre-forme de l'outillage à obtenir. Suivant le type de béton, l'ensemble peut être vibré, centrifugé ou pressé. The shaping tool according to the invention is reinforced with fibers to be introduced into the refractory concrete with hydraulic binder. These fibers are preferably metal fibers but other types of fibers can be used here. When metal fibers are used, these are, for example, fibers made of steel, titanium, aluminum, superalloy or nickel alloy, or a mixture of such fibers. These fibers can be shaped by plastic deformation (hot or cold drawing, folding, ...) or by solidification (molding, liquid extraction). Their shape can be straight, straight with hook, flat or in the form of a gutter. Any other form may also be suitable. The more complex their shape, the greater the contribution of fibers to the performance of reinforced refractory concrete. The length of the fibers can range from 5 mm to 100 mm. Their diameter preferably does not exceed 2 mm so as to prevent the fibers from damaging the refractory concrete too much at the time of the cooking thereof. In some particular cases, microfibers less than 5 mm in length may also be envisaged. It can also be envisaged to use, in addition to or in replacement of metal fibers, mineral fibers which are, for example, glass fibers R and / or AR glass fibers and / or carbon fibers and or high alumina fibers and / or silicon carbide fibers and / or basalt fibers, etc. Similarly, polymeric fibers which may be, for example, polyethylene fibers, polypropylene fibers, Acrylic or polyamides, aramid fibers, polyester, polyvinyl alcohol (PVA) can enter the composition of refractory concrete in addition to or instead of fibers mentioned above. It is also possible to use, instead of or in addition to the aforementioned fibers, natural fibers such as for example wood fibers and / or coconut and / or jute and / or linen. The volume fraction of fibers to be added is between 0.1% and 10%. Hybrid reinforcements, combining different types of fibers, can also be used. Preferably, the volume fraction of fibers to be added is between 0.2% and 3%. The refractory concrete used to produce a tool according to the present invention can be castable and vibrable, self-placing or projectable. A refractory concrete shaped by vibration is preferable for obtaining surface states compatible with the methods of using organic matrix composites. To reduce the porosity rate of the refractory concrete, centrifugation or pressing processes may be used. The steps of implementing a reinforced refractory concrete to manufacture a tool according to the present invention are for example the following. A dry mixture with the constituents of the refractory concrete is premixed. If the concrete is reinforced with mineral or polymeric fibers these latter are incorporated in the dry mix and are kneaded with it. Then, a quantity of water corresponding to the grade of refractory concrete used is added to the dry mixture. Once the mixture is homogeneous, the metal fibers are added. Everything is still mixed a few moments. Finally, the mixture is poured into a formwork in which is the imprint of the counterform of the tool to be obtained. Depending on the type of concrete, the whole can be vibrated, centrifuged or pressed.
Des inserts métalliques peuvent être déposés dans le coffrage si l'outillage nécessite d'avoir des évents, des points de manutention ou des points d'amarrage à une structure. Ces inserts peuvent être retirés au cours de la prise ou faire partie intégrante de l'outillage final. L'outillage peut aussi contenir un système de régulation thermique. Metal inserts may be deposited in the formwork if the tooling needs to have vents, handling points or mooring points to a structure. These inserts can be removed during setting or as an integral part of the final tooling. The tooling may also contain a thermal regulation system.
Ainsi un circuit de circulation de fluide caloporteur et/ou des résistances chauffantes peuvent être intégrés à l'outillage. Ces équipements peuvent être placés dans le coffrage avant, pendant ou après la coulée du béton renforcé. Après le séchage, le béton réfractaire renforcé est cuit à une température au moins égale, et de préférence supérieure, à la température d'utilisation de l'outillage. La géométrie de l'outillage doit prendre en compte le retrait lié à la cuisson du béton réfractaire renforcé ainsi que les variations dimensionnelles de la pièce mise en oeuvre. Thus a coolant circulation circuit and / or heating resistors can be integrated into the tooling. This equipment can be placed in the formwork before, during or after pouring the reinforced concrete. After drying, the reinforced refractory concrete is baked at a temperature at least equal, and preferably greater than, the temperature of use of the tooling. The geometry of the tooling must take into account the shrinkage associated with the firing of the reinforced refractory concrete as well as the dimensional variations of the part used.
Comme il ressort de la description qui précède, une application visée par la présente invention est la réalisation d'outillages pour la fabrication ou la réparation de pièces en matériaux composites à matrice organique. Ces matériaux sont constitués d'une matrice polymère et sont renforcés de fibres. Les pièces peuvent monolithiques. Il peut également s'agir de pièces présentant une structure sandwich, c'est-à-dire contenir une âme en nid d'abeille ou en mousse entre deux parois. Ces matériaux peuvent par exemple être utilisés dans des éléments de structure ou de moteur, des pales d'hélices, des équipements et des aménagements intérieurs dans la construction aéronautique et/ou spatiale. De tels éléments sont alors par exemple utilisés pour la fabrication de tout type d'avions : transport de passagers ou de fret, de combat, d'entraînement, d'affaire, de tourisme, de voltige, etc. et aussi pour la fabrication de planeurs, d'aérostats, d'hélicoptères, d'Ultra Légers Motorisé, de lanceurs spatiaux et de satellites. Ils peuvent aussi être utilisés dans les secteurs des transports terrestres et maritimes, de la défense et des équipements de sport. Les matériaux utilisés pour la réalisation de ces éléments peuvent être variés et différentes matrices polymères peuvent être utilisées, comme par exemple : - des polymères thermodurcissables : phénoliques, époxydes, polyester insaturés, polymides thermodurcicable, polybismaléimide (BMI), ester-cyanate, silicones, etc., - des polymères thermoplastiques : polypropylène, polyester saturés, polyarylènesulfones (PSU, PES, PAS), polysulfures de phénylène (PPS), polyaryléthercétones (PAEK, PEEK, PEKK), polyétherimide, polyamideimides, polyimides thermoplastiques, etc.. Les matrices de ces divers matériaux peuvent contenir des additifs et des charges pour améliorer leurs propriétés d'usage ou de mise en oeuvre. Elles peuvent aussi combiner différents polymères que se soit sous la forme de mélange, d'alliages ou de copolymères. As can be seen from the foregoing description, an application contemplated by the present invention is the production of tools for the manufacture or repair of parts made of organic matrix composite materials. These materials consist of a polymer matrix and are reinforced with fibers. The pieces can be monolithic. It may also be parts having a sandwich structure, that is to say contain a honeycomb core or foam between two walls. These materials may for example be used in structural or engine elements, propeller blades, equipment and interior fittings in aeronautical and / or space construction. Such elements are then for example used for the manufacture of any type of aircraft: transport of passengers or cargo, combat, training, business, tourism, aerobatics, etc. and also for the manufacture of gliders, aerostats, helicopters, Ultra Light Motorized, launchers and satellites. They can also be used in land and sea transport, defense and sports equipment. The materials used for producing these elements can be varied and different polymer matrices can be used, for example: thermosetting polymers: phenolics, epoxides, unsaturated polyester, thermosetting polymers, polybismaleimide (BMI), ester-cyanate, silicones, etc., thermoplastic polymers: polypropylene, saturated polyester, polyarylenesulfones (PSU, PES, PAS), phenylene polysulfides (PPS), polyaryletherketones (PAEK, PEEK, PEKK), polyetherimide, polyamideimides, thermoplastic polyimides, etc. The matrices these various materials may contain additives and fillers to improve their properties of use or implementation. They can also combine different polymers in the form of mixtures, alloys or copolymers.
Ces matrices sont le plus souvent renforcées de fibres longues ou courtes. Différentes familles de fibres peuvent être utilisées comme par exemple des fibres de verre, d'aramide, de carbone, de basalte, de bore, de carbure de silicium, des fibres naturelles (par exemple de chanvre, de lin ou de jute) ou métalliques (par exemple en cuivre ou en acier). Ces fibres peuvent être réparties aléatoirement, orientées, tissées ou tricotées,.... Des renforts autres que des fibres peuvent également (mais non obligatoirement) être intégrés à la pièce mise en oeuvre comme par exemple des feuillets métalliques. La pièce mise en oeuvre peut aussi contenir des inserts directement déposés dans le moule avant ou pendant la mise oeuvre de cette dernière. Les outillages en béton réfractaire à faible teneur en ciment renforcé de fibres selon la présente invention peuvent être utilisés pour divers procédés de mise en oeuvre de composites à matrice organique. Ces procédés peuvent être classés en deux catégories : - les procédés par voie liquide : la matrice polymère est à l'état liquide avant la mise en forme de la pièce. Parmi ces procédés il y a par exemple : le procédé VARTM (de l'anglais Vacuum Assisted Resin Transfer Molding se traduisant en français par moulage par transfert de résine sous vide) ou le procédé LRI (de l'anglais Liquid Infusion Resin se traduisant en français par procédé d'infusion de résine), le procédé SCRIMP (de l'anglais Seeman Composite Resin Infusion Molding Process et connu également sous le nom de procédé de moulage sous vide par infusion), le moulage par injection réaction RRIM (de l'anglais Reinforced-Reaction Injection Molding et se traduisant par exemple par moulage par injection-réaction), le moulage par contact, le moulage par projection. - les procédés par voie sèche : la matrice polymère et les fibres sont liées avant la mise en forme de la pièce et lors du procédé la résine devient visqueuse avant polymérisation (polymères thermodurcissables) ou est mise en fusion (polymères thermoplastiques). Parmi ces procédés il y a par exemple : le drapage de préimprégnés (en autoclave ou sous bâche), la dépose filamentaire discontinu ou continu, l'emboutissage, l'estampage. Les outillages en béton réfractaire à faible teneur en ciment renforcé de fibres sont une bonne solution de substitution aux outillages métalliques et composites habituellement utilisés pour la mise en oeuvre de matériaux composites à matrice organique. Les bétons réfractaires considérés présentent un faible coefficient de dilatation thermique grâce à la forte teneur en carbure de silicium. De plus, ce coefficient est isotrope et il n'évolue pas avec la température. These dies are most often reinforced with long or short fibers. Different families of fibers can be used, for example glass, aramid, carbon, basalt, boron, silicon carbide, natural fibers (for example hemp, flax or jute) or metal fibers. (eg copper or steel). These fibers can be randomly distributed, oriented, woven or knitted, .... Reinforcements other than fibers can also (but not necessarily) be integrated into the part implemented such as metal sheets. The part used can also contain inserts directly deposited in the mold before or during the implementation of the latter. The refractory concrete tools with low fiber-reinforced cement content according to the present invention can be used for various methods of using organic matrix composites. These processes can be classified into two categories: - liquid processes: the polymer matrix is in the liquid state before forming the workpiece. Among these methods there are for example: the VARTM (English Vacuum Assisted Resin Transfer Molding process being translated into French by vacuum resin transfer molding) or the LRI (English Liquid Infusion Resin) process resulting in French by resin infusion process), the SCRIMP (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process and also known as the vacuum infusion molding method), the RRIM reaction injection molding (of the English Reinforced-Reaction Injection Molding and resulting for example by injection-injection molding), contact molding, projection molding. - Dry processes: the polymer matrix and the fibers are bonded before forming the workpiece and during the process the resin becomes viscous before polymerization (thermosetting polymers) or is melted (thermoplastic polymers). Among these methods there is for example: draping prepregs (autoclave or under canvas), discontinuous or continuous filamentary depositing, stamping, stamping. Tools made of refractory concrete with a low content of fiber-reinforced cement are a good alternative to the metal and composite tools usually used for the implementation of organic matrix composite materials. The refractory concretes considered have a low coefficient of thermal expansion thanks to the high content of silicon carbide. Moreover, this coefficient is isotropic and it does not change with temperature.
Les propriétés thermiques des bétons réfractaires considérés peuvent être adaptées en modifiant leurs compositions. Ainsi, différents agrégats, fines et fibres peuvent être utilisés pour modifier la conductivité thermique, la capacité thermique et la diffusivité thermique du béton réfractaire. Le béton utilisé, et donc l'outillage, peut être adapté au procédé de mise en forme auquel l'outillage est destiné. Les bétons réfractaires décrits plus haut peuvent présenter une température d'utilisation largement supérieure aux températures utilisées habituellement pour la mise en forme de matériaux composites à matrice organique et résistent bien aux variations cycliques de température. Ainsi, la durabilité des outillages en béton réfractaire selon la présente invention est meilleure que celle d'outillages en matériaux composites à matrice organique existants. L'ajout de fibres améliore la résistance des bétons aux sollicitations thermomécaniques. Il permet de limiter l'amorçage et surtout la propagation catastrophique des fissures au coeur de l'outillage. Il améliore également les propriétés mécaniques du béton réfractaire. En effet, les fibres permettent de ponter une fissure ou des fissures et de différer leur propagation. Ainsi, la durée de vie du béton réfractaire est augmentée car l'outillage peut continuer de travailler malgré la présence de fissures. Ceci est primordial dans un environnement industriel. L'outillage ne peut pas subir une rupture qui pourrait s'avérer dangereuse. Il est particulièrement original et innovant ici d'utiliser un béton réfractaire à faible teneur en ciment renforcé de fibres pour réaliser des outillages de mise en oeuvre de composites à matrice organique. En effet, l'utilisation d'un tel matériau pour cette application particulière présente des nombreux avantages par rapport aux matériaux utilisés dans l'art antérieur. Par rapport à l'utilisation d'aciers et d'alliages à base d'aluminium pour réaliser un outillage de mise en forme de matériaux composites à matrice organique, un outillage en béton présente notamment l'avantage de présenter un plus faible coefficient de dilatation thermique qui lui permet donc une utilisation sur une plage de températures plus importante. Un outillage selon la présente invention est également moins long à fabriquer. Enfin, le prix de revient de la matière première utilisée et des moyens à mettre en oeuvre pour fabriquer l'outillage est moindre avec l'invention. The thermal properties of the refractory concretes considered can be adapted by modifying their compositions. Thus, different aggregates, fines and fibers can be used to modify the thermal conductivity, heat capacity and thermal diffusivity of refractory concrete. The concrete used, and therefore the tooling, can be adapted to the shaping process to which the tooling is intended. The refractory concretes described above can have a temperature of use much higher than the temperatures usually used for shaping organic matrix composite materials and are resistant to cyclic temperature variations. Thus, the durability of the refractory concrete tools according to the present invention is better than that of tools made of existing organic matrix composite materials. The addition of fibers improves the resistance of concrete to thermomechanical stresses. It limits the priming and especially the catastrophic propagation of cracks in the core of the tooling. It also improves the mechanical properties of refractory concrete. Indeed, the fibers make it possible to bridge a crack or cracks and to delay their propagation. Thus, the lifetime of the refractory concrete is increased because the tool can continue to work despite the presence of cracks. This is essential in an industrial environment. The tooling can not undergo a break that could be dangerous. It is particularly original and innovative here to use a refractory concrete with low fiber-reinforced cement content to produce tools for using organic matrix composites. Indeed, the use of such a material for this particular application has many advantages over the materials used in the prior art. Compared with the use of steels and aluminum-based alloys for producing tools for shaping composite materials with an organic matrix, a concrete tool has the particular advantage of having a lower coefficient of expansion. thermal, which allows it to be used over a larger temperature range. Tooling according to the present invention is also less time consuming to manufacture. Finally, the cost of the raw material used and the means to implement the tooling is less with the invention.
Par rapport à des outillages réalisés dans des alliages à forte teneur en nickel du type de ceux commercialisés sous la marque Invar, un outillage selon la présente invention présente une diffusivité thermique plus élevée. De plus, de même que pour les alliages d'aluminium ou en acier, la présente invention permet de raccourcir les délais de fabrication de l'outillage et de limiter, encore plus que pour l'acier et l'aluminium, le prix des matières premières utilisées et des moyens à mettre en oeuvre pour la fabrication de l'outillage. Il est également connu d'utiliser des outillages eux-mêmes réalisés dans des matériaux composites à matrice organique. Par rapport à ces outillages, la présente invention permet d'obtenir un outillage présentant une diffusivité thermique plus élevée, une plus grande durabilité, une meilleure stabilité dimensionnelle, des coûts de matières premières plus faibles ainsi qu'une meilleure recyclabilité. Un outillage en béton selon la présente invention a également une dureté de surface supérieure à celle des outillages en matière composite. De ce fait, un outillage selon l'invention présente une meilleure résistance aux rayures. Il s'agit là par rapport à chaque type d'outillage connu de l'art antérieur d'avantages très importants car ils permettent d'une part d'avoir un outil de meilleure qualité et d'autre part, sans sacrifier la qualité, de limiter le prix de revient de l'outillage de façon tout à fait sensible. Compared to tools made in alloys with a high nickel content of the type marketed under the Invar brand, a tool according to the present invention has a higher thermal diffusivity. In addition, as for aluminum alloys or steel, the present invention makes it possible to shorten the manufacturing time of the tool and to limit, even more than for steel and aluminum, the price of the materials. first used and means to implement for the manufacture of tools. It is also known to use tools themselves made in organic matrix composite materials. Compared with these tools, the present invention makes it possible to obtain tooling having a higher thermal diffusivity, greater durability, better dimensional stability, lower raw material costs and better recyclability. Concrete tooling according to the present invention also has a higher surface hardness than composite tooling. As a result, a tool according to the invention has a better scratch resistance. This is compared with each type of tool known from the prior art of very important advantages because they allow on the one hand to have a better quality tool and on the other hand, without sacrificing quality, to limit the cost of tooling in a very sensitive way.
L'utilisation de béton réfractaire à liant hydraulique pour la réalisation de l'outillage selon l'invention permet aussi de réduire la masse volumique de l'outillage par rapport à l'utilisation d'alliages métalliques. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. The use of hydraulically bonded refractory concrete for the production of the tool according to the invention also makes it possible to reduce the density of the tooling relative to the use of metal alloys. Of course, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of non-limiting examples. It also relates to all the variants within the scope of those skilled in the art within the scope of the claims below.
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