FR3024389A1 - Procede de fabrication d'une piece renforcee comportant un materiau composite - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece renforcee comportant un materiau composite Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'une pièce renforcée, comportant les étapes consistant à: - Réaliser une structure de support (1), puis recouvrir cette structure de support au moins partiellement avec au moins un matériau composite (2) comportant des fibres de renfort, avec une adhésion locale de la structure de support et/ou du matériau composite lors de la pose de celui-ci, pour assurer sa tenue sur la structure de support, cette dernière faisant partie intégrante de la pièce renforcée.

Description

La présente invention concerne les procédés de fabrication de pièces renforcées comportant un matériau composite ainsi que les pièces renforcées ainsi fabriquées. Il est connu de renforcer mécaniquement certaines pièces en matière t!,,,7:7mopl.u;tig,3,-.' ou thermodurcissable grâce à la présence en leur sein d'un matériau composite comportant des fibres de renfort, par exemple des fibres de carbone. Dans le cas de certaines pièces fonctionnelles, le matériau composite peut localement s'apparenter à une plaque qui est composée de strates empilées les unes sur les autres et comprimées pour obtenir une structure macroscopiquement homogène. Chaque strate est en fait constituée de fibres dont les vides entre elles sont comblés par une matrice en polymère. La forme donnée au matériau composite, notamment son profil et l'orientation des fibres de renfort, est choisie de sorte à ce que les efforts soient autant possible transmis le long des fibres.
Différentes technologies existent pour la mise en forme des matériaux composites. Il y a notamment l'estampage, la thermo-compression, le moulage par transfert de résine (RTM et ses variantes), entre autres. D'une façon générale, les technologies de mise en forme se scindent en deux groupes distincts : celles qui font intervenir un positionnement des fibres suivi d'un remplissage par un thermoplastique ou par un thermodurcissable et celles qui concernent la mise en forme de fibres déjà imprégnées de résine. Dans le cas du positionnement de fibres de renfort suivi d'un remplissage, les procédés actuels nécessitent des résines très fluides pour venir recouvrir les fibres tout en 25 pénétrant au coeur du maillage qu'elles composent ; les temps de production correspondants sont généralement longs. Dans le cas de la mise en forme de fibres déjà imprégnées de résine, on obtient un squelette en matériau composite qui ne permet pas de réaliser facilement des formes complexes. Ce squelette peut par la suite soit être assemblé à d'autres armatures en 30 matériau composite par soudure, thermocompression, collage ou rivetage, soit être surmoulé par une peau en matière thermoplastique ou thermodurcissable. Dans ce dernier cas, le squelette en matériau composite se comporte comme insert qui a besoin d'être positionné dans un moule, où il subit la pression d'injection avec un risque de déformation. La publication W02014/058895 divulgue un perfectionnement aux procédés de ce type, dans lequel on met en forme une nappe en matériau composite puis on surmoule sur cette nappe, une armature destinée à la maintenir avec la forme souhaitée pour les opérations de transformation ultérieures. Ensuite, une enveloppe en matière plastique est surmoulée sur la nappe en matériau composite et son armature pour donner à la pièce renforcée sa forme définitive. Dans un tel procédé, la nappe en matériau composite est mise en forme par un procédé conventionnel, ce qui amène des corn ..ntes quant à la 10 forme pouvant être donnée à la nappe, comme indiqué plus haut. L'invention vise à perfectionner encore les procédés de fabrication de pièces renforcées, notamment pour remédier à tout ou partie des inconvénients ci-dessus, et elle y parvient grâce à un procédé de fabrication d'une pièce renforcée, comportant les étapes consis t à : 15 - réaliser une structure de support, notamment au moins partiellement en matière thermoplastique ou thermodurcissable, de préférence en matière thermoplastique, puis - recouvrir cette structure de support au moins partiellement avec au moins un matériau composite comportant des fibres de renfort, avec une adhésion locale de la 20 struc de support et/ou du matériau composite lors de la pose de celui-ci, no . ent par fusion, pour assurer sa tenue sur la structure de support, cette dernière faisant partie intégrante de la pièce renforcée ainsi réalisée. La pièce renforcée finale constitue de préférence une structure rigide. L'invention offre de multiples avantages. 25 Tout d'abord, l'invention offre des possibilités accrues quant à la forme que l'on peut donner au matériau composite, puisque celui-ci peut être mis en place progressivement sur la structure de support, par exemple en étant déposé couche par couche aux emplacements recherchés ; la mise en place par couche peut permettre d'obtenir localement des épaisseurs différentes au niveau du squelette en composite. 30 L'invention permet également une manipulation aisée de la pièce revêtue matériau composite pour d'éventuelles opérations de transformation ultérieures.
En particulier, il n'y a plus à craindre une déformation du matériau composite lors du traitement de l'ensemble constitué par la structure de support revêtue matériau composite pour y surmouler une enveloppe. L'invention permet en outre la production de moyennes et grandes séries fait que les manipulations sont facilitées, d'économiser un ou plusieurs outillages spécifiques ainsi que certaines opérations de manipulation de la pièce composite et de réduire les pertes dues aux chutes issues des semi-produits. L'invention peut encore présenter tout ou partie des caractéristiques avantageuses suivantes, considérées seules ou en combinaison : - le matériau composite est recouvert au moins p. 'ellement par enveloppe d'une matière plastique, thermoplastique ou thermodurcissable, - l'enveloppe est sur-injectée sur le matériau composite, - l'enveloppe recouvre entièrement la structure de support et le matériau composite, - l'enveloppe recouvre entièrement la structure de support sans recouvrir entièrement le matériau composite, - le procédé recouvre entièrement le matériau composite sans recouvrir entièrement la structure de support, - le matériau composite est déposé sous forme d'au moins une bande, 20 notamment de fibres unidirectionnelles, déroulée au fur et à mesure de sa pose sur la structure de support, - le matériau composite est déposé par a bras robotisé équipé d'un outil de chauffe de la surface de la structure du support et/ou du matériau composite, les fibres de renfort du matériau composite sont des fibres de carbone, 25 la forme générale de la pièce renforcée est donnée par la forme de la structure de support, - le volume de la structure de support correspond à plus de 50% du volume de la pièce renforcée, mieux à plus de 95%, - la structure de support comporte, notamment est constituée par, une matière 30 thermoplastique, - le matériau composite comporte une ou plusieurs couches de fibres unidirectionnelles en bande, - le matériau composite comporte, no ent est constitué par, imprégné thermoplastique. L'invention a encore pour objet une pièce renforcée notamment obtenue par le procédé selon l'invention tel que défini plus haut, comportant - une structure de support, de préférence en matière thermoplastique thermodurcissable, faisant intégralement partie de la pièce renforcée, - un matériau composite comportant des fibres de renfort recouvrant au moins partiellement la structure de renfort, le matériau composite comportant de préférence unc matrice polymère thermoplastique, - une enveloppe recouvrant au moins partiellement, de préférence totalement, le matériau composite. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée ii va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin exé, sur lequel - les fi! - s 1 à 3 illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé de fabrication selon l'invention, - les figures 4 et 5 représentent une variante de pièce renforcée selon l'invention. Structure de sr lrt Le procédé selon l'invention fait intervenir la réalisation préalable d'une structure de support. Cette structure de support fait partie intégrante, conformément à l'invention, de la pièce renforcée finale. La structure de support peut être indépendante de tout ensemble plus général, 25 ou en variante appartenir à un ensemble plus général. Par exemple, la structure de support est destinée à être recouverte entièrement par le matériau composite. En variante, la structure de support n'est qu'une p. e d'un ensemble de plus grande dimension, et la dépose du matériau composite n'a F que sur une portion de cet ensemble de plus grande dimension. 30 La structure de support est de préférence en matière plastique, qui peut être une matière thermoplastique ou thermodurcissable, de préférence une matière thermoplastique.
Il est toutefois avantageux que la structure de support soit au moins p. ellement réalisée en matière thermoplastique, de façon à pouvoir fondre localement lors de la dépose du matériau composite, ce qui peut améliorer la tenue de celui-ci. En variante, la structure de support est au moins partiellement en métal ou en 5 céramique, et notamment elle peut être hybride métal/matière plastique, hybride métal/thermoplastique et de préférence hybride composite/thermoplastique. On peut donner à la structure de support la forme souhaitée par usinage, injection de matière, impression 3D, rotomoulage, ou tout autre procédé de fabrication. Parmi les matériaux pouvant entrer dans la fabrication de la structure de 10 support, on peut citer par exemple le PEEK, le PPS, le PEI, le PAl 1, PA6.6, ces matériaux pouvant être éventuellement renforcés de fibres, notamment de fibres de verre, de fibres naturelles, ou de fibres de carbone. La structure de support est réalisée avec une forme qui est de préférence proche de celle de la pièce renforcée finale. Ainsi, la structure de support peut occuper une partie 15 non négligeable du volume de la pièce renforcée finale, no ment plus de 50%, voire plus de 90 ou 95%. Le volume de la structure de support est celui défini par l'enveloppe de sa surface externe. Ainsi, si la structure de support est tubulaire, on considère seulement le volume extérieur, comme si la structure de support était pleine. Il en est de même pour la détermination du volume occupé par la pièce renforcée finale. 20 La structure de support peut être pleine ou creuse, et notamment comporter des nervures ou cloisons de renfort. En au moins un emplacement, la struc de support présente par exemple une épaisseur d'au moins 1 Dépose dt atériau LoSÎ 25 Le procédé selon l'invention fait intervenir une étape de recouvrement de la structure de support, au moins p: ellement, par un matériau composite qui est flexible au moment de la dépose. Le matériau composite comporte des fibres de renfort et une matrice polymère. Fit renfort 30 Les fibres de renfort peuvent être de tout type, et en particulier être des fibres naturelles ou synthétiques, minérales ou organiques, de carbone, de graphite, de verre, d'aramide, de carbure de silicium, de lin, de chanvre.
Les fibres sont de préférence des fibres longues orientées. Par fibres longues, on désigne des fibres dites continues, c'est-à-dire des fibres allant d'un bout à l'autre de la structure qu'elles produisent. La section des fibres va par exemple de 0.03 mm à 0.5 mm.
L'épaisseur d'une couche de fibres de renfort déposée va par exemple de 0.1 mm à 0.5 mm, l'empilement des couches pouvant aller de 0.1mm à plus de 10 Les fibres de renfort sont de préférence, au moment où elles sont déposées sur la structure de support, sous la forme de semi-produits tels que des nappes ou des mats, pouvant être unidirectionnels ou multidirectionnels, ces nappes ou mats é t par exemple 10 fournis en rouleaux à un outil de dépose. Les fibres de renfort peuvent encore être sous forme de fils comportant des fibres tressées entre elles, de tresses comportant plusieurs fils ou de tissus ou tricots 2D ou 3D fabriqués à l'aide de ces fils. ice 15 Le matériau composite constitue de préférence un pré-imprégné (encore appelé prepreg), c'est-à-dire que les fibres sont déjà recouvertes d'une matrice semi-solide organique au moment de leur dépose sur la structure de support. La matrice peut être thermoplastique - thermodurcissable, de préférence thermoplastique, 20 En v; 'ante, le matériau composite est un comelé, c'est-à-dire un faisceau de fibres de renfort mélangé à des fibres de matière thermoplastique avant sa mise en forme par tissage ou tressage notamment. Comme matrice, on peut utiliser une polyoléfine, notamment du polypropylène, du polyamide, notamment PA6 et PAll, du polyester, du PVC, de l'ABS, 25 du PBT, du PLA, du PEEK, du PEI, du PPS. Le matériau composite est de préférence pré-imprégné unidirectionnel, c'est-à-dire avec des fibres de renfort orientées dans une même et seule direction au sein d matériau composite. Comme exemples de références commerciales de matériaux composites 30 I, ;(: convenir à l'invention, on peut citer entre autres ceux connus sous les références commerciales TENCATE, TEEN , SCHAPPE TECHNIQUES Procédé de dépose La dépose du matériau composite s'effectue sur la structure de support à l'aide de tout moyen adapté. De préférence, cette dépose est progressive, c'est-à-dire qtr; ' ',%;ture de support est progressivement recouverte par le matériau composite et ce dernier est fixé à la structure de support au fur et à mesure qu'il est amené au contact de la structure de support. Le matériau composite peut être en rouleau ou en bobine qui est progressivement déroulé sur la structure de support, suivant un trajet qui correspond à l'orientation et à la forme que l'on cherche à donner aux fibres de renfort.
Le matériau composite peut être déposé en une seule couche, ou de préférence, en plusieurs couches superposées, notamment directement les unes sur les autres. Le moyen de dépose est par exemple un bras robotisé qui applique le matériau composite contre la structure de support au fur et à mesure qu'il la déroule. Un chauffage est réalisé localement pour fixer le matériau composite sur la structure de support ou sur une couche sous-jacente du matériau composite. Ce chauffage est suffisamment localisé pour que la structure de support conserve sa forme par elle- même, restant à une température suffis; ment basse par ailleurs. Le chauffage porte par exemple la température de surface du matériau composite ou de la structure de support à une température proche de la température de fusion de la matrice, cette température étant 20 choisie en fonction des matériaux à. assembler. De préférence, le matériau composite est pré-imprégné, de sorte que son chauffage permet de le rendre adhérent à la structure de support après refroidissement, grâce à la fusion locale de la matrice thermoplastique qu'il comporte. La structure de support peut aussi ramollir et contribuer à retenir le matériau 25 composite par fusion locale puis solidification de la matière qui la constitue. De préférence, le matériau composite est un pré-imprégné à matrice thermoplastique et la structure de support est également en matière thermoplastique. Le chauffage peut être radiatif et/ou par soufflage d'air chaud, ultrasons ou radiofréquences. Un laser ou une torche plasma peut être utilisé. 30 De préférence, l'outil qui pose le matériau composite permet de réaliser l'apport de chaleur nécessaire pour assurer l'adhérence locale et la fixation du matériau composite.
La dépose du matériau composite s'effectue ainsi par exemple à l'aide d'un bras robotisé qui permet non seulement d'appliquer le matériau composite au fur et à mesure qu'il est déroulé, mais aussi de le chauffer. L'outil de dépose peut appliquer une pression locale sur le matériau composite pour le plaquer contre la structure de support. L'opération de dépose peut s'effectuer sous gaz inerte, celui-ci servant le cas échéant, en étant chaud, à provoquer la fusion locale recherchée. Envelope Le procédé selon l'invention peut également faire intervenir le recouvrement du 10 le matériau composite par une enveloppe. L'enveloppe est de préférence en matière plastique thermoplastique ou thermodurcissable. L'enveloppe peut être en polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyetherimide, polyethercetone (PEEK), PPS, PEI, PAH , PA6, ABS, et de préférence 15 dans un matériau aux caractéristiques thermiques proches de celles de la structure support ou de la matrice du composite. De préférence, l'enveloppe est sur-injectée sur le matériau composite ou le matériau composite et la structure de support. L'enveloppe peut encore être déposée par impression 3D, injection, par collage, 20 ou assemblage mécanique. Avant de réaliser l'enveloppe, l'ensemble constitué par la structure de support revêtue du matériau composite peut subir divers traitement de transformation mécanique tels qu'usinage, perçage, taraudage, détourage, ou pose d'éléments mécaniques comme des inserts. 25 On peut notamment, avant l'étape de surmoulage de l'enveloppe, mettre en place un ou plusieurs inserts par exemple. L'enveloppe peut encore être constituée par une peau métallique que l'on vient coller sur le matériau composite, par exemple une feuille de titane ou d'un autre métal. L'enveloppe peut être réalisée dans un matériau d'une nature identique ou 30 différente de celle de la structure de support. Des évidements, traversants ou non, ou reliefs en saillie, peuvent être présents dans ou sur la structure de support et/ou le matériau composite pour permettre à l'enveloppe de venir enserrer davantage la structure de support, afin d'augmenter l'accroche de celle-ci sur la structure de support. Le dépôt de l'enveloppe peut se faire dans un moule où est placé l'ensemble constitué de la structure de support et du matériau composite fixé dessus. En variante, l'enveloppe est déposée par pulvérisation. En au moins un emplacement, l'enveloppe présente par exemple une épaisseur d'au moins 1 Applications L'invention s'applique à la réalisation de toute pièce devant inclure un matériau 10 composite, notamment pour des questions de poids ou de résistance structurelle. L'invention s'applique à la réalisation de toute pièce nécessitant un matériau composite dont la production nécessite des cadences moyennes à importantes tout en autorisant une grande variabilité géométrique sur la forme du squelette en composite tant dans les épaisseurs que dans la disposition des fibres, en évitant les opérations risquées 15 d'extraction de la pièce composite d'un outillage spécifique. Il peut s'agir d'une pièce aéronautique ou automobile, par exemple de pied de siège, de c; e de transmission, d'ailerons de frottement. Exemples On va maintenant décrire en référence aux figures 1 à 3 un premier exemple de 20 réalisation d'une pièce renforcée selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un exemple de structure de support 1, réalisée avec une forme proche de celle de la pièce renforcée finale, no . ment avec une forme qui présente la même courbure générale et les mêmes extensions spatiales que la pièce finale. La structure de support 1 est par exemple réalisée en matière thermoplastique 25 par moulage par injection. On a illustré sur la figure 1 le dépôt du matériau composite 2 sous forme d'une bande de pré-imprégné unidirectionnel appliquée directement sur la structure de support 1 à l'aide d'une machine de placement de fibres, représentée schématiquement par un rouleau 3 et un appareil de chauffe 4 qui peut être un faisceau laser, une lampe i . ouge 30 ou tout autre dispositif approprié pour faire fondre localement la matrice polymère du matériau composite et la matière de la structure de support 1.
La première couche de matériau composite 2 est déposée est ainsi soudée directement sur la structure de support 1 par la machine de placement de fibres. Dans l'exemple illustré, seul le dessus de la structure de support 1 est ainsi recouvert. On peut déposer plusieurs couches de matériau composite les unes sur les autres et la figure 2 illustre un empilement 5 de plis de matériau composite ainsi réalisé à l'aide de l'outillage de la figure 1. Le nombre de plis et leur agencement sont choisis en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées pour la pièce finale. Sur la figure 3, l'ensemble obtenu précédemment est surmoulé par une 10 enveloppe 6 pour le compléter. Avant surmoulage de l'enveloppe 6, l'ensemble de la figure 2 peut éventuellement subir une transformation intermédiaire comme de l'usinage. On peut aussi, avant surmoulage de l'enveloppe 6, déposer sur l'ensemble de la matière par impression 3D. 15 Le surmoulage correspond dans l'exemple de la figure 3 à gainage matériau composite, l'enveloppe 6 venant recouvrir le matériau composite non seulement sur le dessus mais aussi sur sa che. L'enveloppe 6 ne recouvre pas la face inférieure de la structure de support 1. L'enveloppe 6 peut être réalisée, comme illustré, avec des reliefs fonctionnels 20 7, par exemple des faits destinés à recevoir des vis. On voit sur la figure 3 que la structure de support 1 fait partie intégrante de la pièce renforcée finale 10. Sur la figure 4, on a représenté une structure de support 1 qui se présente sous la forme d'un tube injecté, usiné ou réalisé par une technique de prototypage telle que 25 l'impression 3D. Le matériau composite 2 est déposé sur l'ensemble de la circonférence du tube, en e t p exemple enroulé sur la structure de support. Le matériau composite 2 est par exemple sous la fo 41F' de pré- imprégné unidirectionnel. 30 Sur la figure 5, on a illustré la possibilité de surmouler l'ensemble de la figure 4 par une enveloppe 6 qui vient gainer la pièce, en recouvrant le matériau composite sur sa surface extérieure et sur sa che.
On voit que l'enveloppe 6 recouvre également la surface intérieure du tube hors des cloisons 9 et ne remplit pas complètement le volume intérieur défini entre les cloisons 9. On voit sur les figures 4 et 5 que la structure de support 1 présente en section un profil d'aile d'avion qui est conservé sur la pièce renforcée finale 10. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. La structure de support peut être réalisée autrement encore et par exemple comporter une partie qui ne reçoit pas le matériau composite ni l'enveloppe éventuelle. Le 10 renforcement par le matériau composite peut ainsi être local seulement. L'expression "compo t un" doit être comprise comme étant synonyme de "comprenant au moins un", sauf si le contraire est spécifié.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce renforcée (10), comportant les étapes consistant à: - Réaliser une structure de support (1), puis - recouvrir cette structure de support au moins p. 'ellement avec au moins un matériau composite (2) comportant des fibres de renfort, avec une adhésion locale de la structure de support et/ou du matériau composite lors de la pose de celui-ci, pour assurer sa tenue sur la structure de support, cette dernière faisant partie intégrante de la pièce renforcée.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, le matériau composite étant ensuite recouvert au moins partiellement par une enveloppe (6) d'une matière plastique, thermoplastique ou thermodurcissable.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, l'enveloppe (6) étant sur-injectée sur le matériau composite.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, l'enveloppe (6) recouvrant entièrement la structure de support (1) et le matériau composite (2).
  5. 5. Procédé selon la revendication 2, l'enveloppe (6) recouvrant entièrement la struc de support (1) sans recouvrir entièrement le matériau composite (2).
  6. 6. Procédé selon la revendication 2 ou 3, recouvrant entièrement le matériau composite sans recouvrir entièrement la structure de support.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le matériau composite étant déposé sous forme d'au moins une bande, notamment de fibres unidirectionnelles, déroulée au fur et à mesure de sa pose sur la structure de support.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, le matériau composite étant déposé par 1 - bras robotisé équipé d'un outil de chauffe de la surface de la structure du support et/ou u matériau composite.
  9. 9. Procédé selon l'une qu,.;lcc,ci- des revendications précédentes, les fibres c' e renfort du matériau composite étant des fibres de carbone.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ' . forme générale de la pièce renforcée (10) étant donnée par la forme de la structure de suc. port (1).11, Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le volume de la structure de support (1) correspondant à plus de 50% volume de la pièce renforcée (10), mieux à plus de 95%. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, la sIrcture de support (1) comportant, notamment étant constituée par, une matière thermoplastique. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le matériau composite (2) compo t une ou plusieurs couches de fibres unidirectionnelles en bande. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, le matériau composite (2) compo t, notamment étant constitué par, un pré-imprégné 10 thermoplastique. 15. Pièce renforcée (10), notamment obtenue par le procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, comportant : - une structure de support (1), de préférence en matière thermoplastique ou thermodurcissable, faisant intégralement partie de la pièce renforcée (10), 15 - un matériau composite (2) compo . t des fibres de renfort recouvrant au moins partiellement la structure de renfort (1), le matériau composite compo t de préférence une matrice polymère thermoplastique, - une enveloppe (6) recouvrant au moins partiellement, de préférence totalement, le matériau composite (2). 20
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