FR3028797A1 - Procede d'impregnation sequentiel d'une structure textile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé dans lequel une structure textile (30) est placée dans un dispositif de moulage (50). Le dispositif de moulage est partiellement fermé de façon à laisser un vide (54) en regard de premières surfaces (102) tout en recouvrant des deuxièmes surfaces (101) de la structure textile grâce à des éléments (51). Les éléments (51) protègent les surfaces (101) de la matrice (14) tandis qu'elle remplit les vides (54). Les éléments (51) sont ensuite actionnés et le moule fermé de manière à laisser la résine se diffuser sur l'ensemble des deuxièmes surfaces (101) et à imprégner la structure textile (30). L'invention est destinée à fabriquer des pièces en composites hautes performances à des cadences de fabrication élevées.

Description

1 DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un produit en matériau composite à matrice polymère et à renforts textiles. Plus précisément, l'invention se rapporte à un produit composite stratifié à haute résistance à la délamination et au procédé permettant de le mettre en oeuvre. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Les produits composites à hautes performances mécaniques sont composés de renforts sous la forme d'une structure textile de fibres continues et d'une matrice permettant de solidariser l'ensemble des fibres entre elles. Les fibres peuvent se présenter sous la forme d'une nappe de fibres parallèles dans la direction X ou d'un voile tissé à 2 dimensions, dans les directions X-Y. Pour former le produit composite, ces voiles sont empilés les uns sur les autres dans le sens de l'épaisseur Z, chaque épaisseur est appelée pli ou strates, l'ensemble est appelé empilage ou stratifié, ou encore préforme. Une fois l'épaisseur désirée obtenue, la structure textile obtenue est imprégnée de résine liquide, la résine est ensuite solidifiée pour obtenir un produit composite solide. La résistance mécanique des fibres en traction est considérablement supérieure à celle de la résine composant la matrice, le produit obtenu a ainsi une très bonne résistance à la traction dans le plan X-Y, en particulier dans la direction des fibres, la résistance du produit a par contre une faible résistance dans la direction Z, la résistance étant assurée dans cette direction essentiellement par la matrice. L'une des faiblesses de ce type de produits est liée à cette faible résistance inter-laminaire, les mécanismes d'endommagements et de ruptures observés sont ainsi essentiellement des décollages entre plis, appelés délamination. De nombreux travaux ont été réalisés sur cette problématique et de nombreux brevets proposent des solutions. Le brevet FR 2 691 174 propose une solution pour améliorer les 35 performances en délaminage d'un produit composite. Le procédé décrit dans ce brevet est une variante du procédé appelé tissage 3D 3028797 2 et il consiste à faire passer des fibres continues à travers les différentes couches de voiles textiles rendant ainsi indélaminable le produit composite obtenu. Les procédés de ce type sont aujourd'hui utilisés dans le domaine des pièces composites hautes performances 5 mais sont très lents et engendrent des coûts de fabrication très élevés, ils restent donc cantonnés à des domaines aux faibles cadences de fabrication tels que des pièces techniques dans l'aéronautiques et le spatial. Le brevet US 8,002,919 décrit un autre procédé pour faire 10 traverser les plis par des fibres continues. Ce procédé permet d'obtenir des produits composites de type 3D mais, même si leur production est accélérée par rapport aux technologies de tissage 3D, leur cout de fabrication reste élevé. Le brevet US 5,589,089 décrit un procédé consistant à ajouter 15 des tiges de renforts dans la direction Z, à travers les différents plis du produit composite. Cette opération est réalisée sur un produit composite déjà solidifié, les tiges de renforts et le produit composite forment donc des éléments distincts. Le procédé est de plus lent car il nécessite des moyens ultrasons pour enfoncer les tiges. Cette 20 opération, même si elle renforce le produit dans la direction Z, engendre une rupture des fibres continues au passage des tiges ce qui fragilise le produit composite. Une autre solution est présentée dans le brevet US 8,585,934. Ce brevet décrit un procédé permettant de rajouter des nanotubes 25 de carbones dans la matrice ce qui permet d'obtenir un mélange de fibres longues, de nanotubes de carbones et d'une matrice polymère augmentant ainsi les propriétés mécaniques du produit composite final. Le problème d'une telle solution est la rareté des nanotubes carbone et la complexité de rajouter de tels éléments dans le 30 polymère formant la matrice. Jusqu'à présent, personne n'a traité le mélange d'une matrice chargée de fibres courtes avec un empilage de plis composé de fibres continues pour augmenter la résistance au délaminage des produits composites. L'imprégnation d'un empilage de plis de fibres continues avec une telle matrice est en effet, selon les procédés de l'art antérieur, impossible car sa haute viscosité l'empêche de pénétrer au 3028797 3 coeur des porosités présentes entre les fibres continues. De part cette forte viscosité, l'opération d'imprégnation entraîne de plus une forte déformation des fibres continues ce qui rend non répétable le procédé et non utilisable le produit composite obtenu. Il y a donc un 5 besoin d'un procédé permettant d'imprégner un empilage de plis avec de la résine chargé de fibres courtes. OBJET ET RESUME DE L'INVENTION 10 L'un des objectifs de la présente invention est de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un produit composite aux propriétés de résistance au délaminage améliorées. Il convient également de fournir un procédé permettant de fabriquer ce produit avec des cadences augmentées en comparaison des 15 procédés utilisés dans l'art antérieur, ce procédé doit être de plus facilement implantable sur des moyens de fabrication tels que des presses d'injection plastique, moyens de production très répandus dans le monde de la plasturgie. Cette invention a également pour objet de fournir une 20 installation permettant d'implanter le procédé selon l'invention et de fabriquer le produit selon l'invention. Cet objectif est atteint avec un produit composite stratifié caractérisé en ce qu'il est composé de fibres continues et d'une 25 matrice contenant une résine renforcée. De préférence, la résine renforcée est composée de charges renforçantes fibreuses telles que des fibres courtes. Les fibres continues ont une longueur supérieure à 1 mm et de préférence supérieure à 50 mm.

30 Les fibres courtes ont une longueur inférieure à 1 mm et de préférence comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm. Dans l'invention, on considère qu'un pli est délimité par deux frontières, appelées interfaces inter-laminaires. Dans l'invention, on définit les axes X et Y comme les 2 axes 35 composant le plan d'un pli, l'axe Z étant la direction d'empilage des plis. Les produits composites auxquels sont destinés cette invention 3028797 4 ne sont néanmoins pas nécessairement des empilages de plis de plans X-Y, ils peuvent être évolutifs dans plusieurs plans, cette simplification a pour but de rendre plus compréhensible la description.

5 Pour obtenir un tel produit, on place un empilage de plis dans la cavité d'un dispositif de moulage et on injecte une matrice dans cette cavité de manière à imprégner les plis. Les matrices composées de résines chargées de fibres courtes 10 ont la particularité d'être très visqueuses, c'est-à-dire qu'elles s'écoulent difficilement lorsqu'elles sont soumises à une contrainte. Cette viscosité élevée n'est théoriquement pas compatible avec l'opération d'imprégnation d'un empilage de plis qui nécessite en pratique l'emploi d'une matrice peu visqueuse, d'un comportement 15 proche d'un liquide, pour pouvoir s'écouler à travers les fines porosités présentes entre les fils continus d'un même pli et les porosités des interfaces inter-laminaires. Ceci explique que cette opération n'ait jamais été réalisée jusqu'à présent par l'homme de l'art et que le produit fabriqué selon cette invention n'existe pas dans 20 l'art antérieur. Pour pouvoir imprégner un empilage de plis avec une matrice visqueuse, contenant ou non des fibres courtes, le procédé selon l'invention nécessite de créer des vides entre les fibres continues, de manière à les écarter les unes des autres, de préférence sans les 25 endommager, et à créer ainsi un volume de forte perméabilité pour la matrice, appelé volume inter-plis. Un volume inter-plis peut ainsi être contenu par un seul pli mais est contenu de préférence par au moins deux plis. Dans l'invention, on définit la perméabilité comme l'aptitude de 30 l'empilage à se laisser traverser par un liquide sous l'action d'une pression. Lors de l'imprégnation, le volume inter-plis auparavant vide est rempli de matrice et devient un volume qui lie les différents plis entre eux, on l'appelle alors volume de liaison inter-plis.

35 3028797 5 De préférence, le produit composite stratifié obtenu comprend au moins deux plis et une matrice et est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un volume de liaison inter-plis qui traverse au moins deux plis successifs. Les volumes inter-plis formés dans chaque pli se trouvent de préférence en vis-à-vis du ou des volumes inter-plis des plis de part et d'autre de celui-ci, selon l'axe Z, formant ainsi un volume inter-pli pouvant être assimilé à un trou. De préférence, les projections des volumes de liaison inter-plis de deux plis consécutifs sur le plan d'interface inter-laminaire se chevauchent à hauteur d'au moins 10 %.

15 De préférence, au moins un volume de liaison inter-plis traverse tout l'empilage de plis, formant ainsi un volume de liaison inter-plis débouchant sur chaque face de l'empilage. La première phase d'imprégnation correspond au remplissage 20 des volumes de plus forte perméabilité, c'est à dire les volumes inter-plis. L'imprégnation a alors lieu dans la direction Z. Une fois ces volumes imprégnés, la pression dans le dispositif de moulage continue à augmenter et les volumes de perméabilité inférieure, correspondants aux interfaces inter-laminaires, commencent à être 25 imprégnés. Les directions d'imprégnation se situent alors dans les plans X-Y d'interfaces inter-laminaires. Une fois les porosités présentes dans les interfaces inter-laminaires remplies par la matrice, la pression continue à augmenter et les porosités présentes entre les fibres d'un même pli sont alors imprégnées, finalisant l'imprégnation 30 totale de l'empilage. De préférence, la matrice est un mélange de résine et de fibres courtes.

35 De préférence, au moins un volume de liaison inter-plis comprend au moins une fibre courte.

5 10 3028797 6 De préférence, au moins une fibre courte est contenue dans deux plis successifs. Avec une matrice contenant de la résine et des fibres courtes, le 5 pourcentage de fibres courtes évolue tout au long du parcours d'imprégnation décrit plus haut. Le pourcentage le plus important se situe de préférence dans les volumes de liaison inter-plis, ce fort taux de fibres courtes permet de relier tous les plis entre eux et ainsi de solidariser l'empilage et éviter la délamination.

10 De préférence, les volumes de liaison inter-plis comprennent la fraction volumique de fibres courtes la plus élevée de l'ensemble du produit. De préférence, les volumes de liaison inter-plis comprennent 15 une fraction volumique de fibres courtes 1.5 fois supérieure au reste du produit composite. On définit une fraction volumique comme le ratio du volume de fibres courtes contenues dans un volume de produit composite sur ce 20 volume de produit composite. La présence de fibres courtes dans la matrice permet d'atteindre une haute fraction volumique globale de renforts, fibres courtes et fibres continues, dans le produit composite.

25 De préférence, la fraction volumique de renforts dans l'ensemble du volume du produit composite est supérieure à 50%. Du fait de la forte viscosité de la résine, la distance parcourue 30 dans les interfaces inter-laminaires est limitée. Les volumes inter-plis sont donc relativement rapprochés pour permettre une bonne imprégnation. De préférence, sur un même plan, la distance entre le centre de 35 deux volumes de liaison inter-plis est comprise entre 1 fois et 200 3028797 7 fois l'épaisseur du pli considéré et de préférence est compris entre 10 fois et 100 fois. De préférence, la résine composant la matrice est une résine 5 thermoplastique. L'invention concerne également les produits composites assemblés. La présence de volumes de liaison inter-plis communs aux deux produits assemblés permet de créer une bonne adhésion entre 10 les deux produits. De préférence, au moins un volume de liaison inter-plis traverse au moins deux plis issus d'au moins deux produits différents.

15 De préférence, on entend par produits différents des empilages de plis distincts. De préférence, les produits assemblés peuvent être des structures textiles autres que des empilages de plis.

20 De préférence, au moins une fibre courte est contenue dans au moins les deux produits assemblés. De même, certaines géométries de produits composites, comme 25 des géométries en creux ou des changements soudains d'angles, nécessitent de couper les plis, la présence de volumes de liaison inter-plis dans les zones de jonction permet d'obtenir des zones de jonction renforcées.

30 Selon l'invention des formes peuvent être réalisées en surface du produit composite, ces formes faisant saillie de la surface du produit composite, ces formes sont alors bien ancrées dans le produit composite grâce à la présence de volumes de liaison inter-plis.

3028797 8 De préférence, le produit composite comprend à sa surface au moins une forme faisant saillie de sa surface contenant en partie la même matrice que celle le composant.

5 Ces formes peuvent être composées ou non de fibres continues. De préférence, la forme faisant saillie de la surface est composée majoritairement de la matrice et de préférence est composée intégralement de la matrice.

10 De préférence, la forme faisant saillie de la surface du produit composite contient au moins un insert. De préférence, l'insert est composé d'une ou des matières autres que la ou les matières composant la matrice.

15 De préférence, l'insert est métallique. De préférence, au moins une fibre courte est contenue dans au moins le produit composite et la forme faisant saillie.

20 L'invention concerne également le procédé d'imprégnation permettant d'imprégner une structure textile de façon à réaliser les produits composites stratifiés selon l'invention et les produits composites en général.

25 Le procédé consiste à placer au moins une structure textile dans un dispositif de moulage, à fermer partiellement le dispositif de moulage de façon à laisser un vide en regard de premières surfaces de la structure textile, à couvrir des deuxièmes surfaces de la structure textile grâce à des éléments du dispositif de moulage, à 30 injecter une matrice dans le ou les vides laissés dans le dispositif de moulage, à actionner les éléments mobiles de façon à découvrir les deuxièmes surfaces, à remplir le ou les vides ainsi libérés et imprégner la structure textile avec la matrice.

3028797 De préférence, la matrice est mise sous pression dans les volumes en regard des premières surfaces avant l'actionnement des éléments mobiles.

5 Le procédé selon l'invention consiste à privilégier une imprégnation dans la direction Z plutôt que dans les directions X et Y utilisée dans l'art antérieur. Ce mode d'imprégnation améliore la qualité d'imprégnation des plis et accélère considérablement les cadences de fabrication.

10 De préférence, l'imprégnation est réalisée majoritairement selon la direction Z. De préférence, l'imprégnation est réalisée par les deux faces de 15 la structure textile. De préférence, les premières surfaces sont reliées entre elles et ne forment qu'une seule et même surface. De préférence, les deuxièmes surfaces sont reliées entre elles et ne forment qu'une seule et même surface.

20 De préférence, les éléments mobiles forment un seul et même élément mobile parsemé de zones de vides correspondants aux volumes en regard des premières surfaces. Ces zones vides sont ensuite comblées par des éléments du dispositif de moulage à la 25 fermeture du dispositif de moulage. De préférence, le dispositif de moulage contient un élément mobile par face de structure textile. La structure textile est de préférence maintenue en position 30 pendant les phases d'injection et d'imprégnation. On appelle la phase d'injection la phase de remplissage du vide en regard des premières surfaces. Selon un mode particulièrement préféré, la structure textile est maintenue en position seulement pendant la phase d'injection.

35 De préférence, le dispositif de moulage comporte au moins deux éléments mobiles ayant une portion de leur surface en vis-à-vis. 3028797 , 10 Les éléments mobiles de chacune des parties du dispositif de moulage viennent alors serrer la structure textile de manière à la maintenir en position. De préférence, de 0.1 à 40% de la surface de ces éléments se 5 trouvent en vis-à-vis et plus particulièrement de 1 à 5%. Selon un exemple, le dispositif de moulage ne comporte aucune portion de surface en vis-à-vis. Ceci est rendu réalisable grâce à des structures textiles rigides.

10 D'autres éléments du dispositif de moulage peuvent permettre de maintenir la structure textile pendant l'injection et l'imprégnation. Selon un exemple, le dispositif de moulage comporte des éléments de maintien pour maintenir la structure textile.

15 De préférence, les éléments de maintien bloquent par serrage les mouvements en X, Y et Z de la structure textile. De préférence, les éléments de maintien viennent en vis-à-vis, deux-à-deux. De préférence, les éléments de maintien ont une section 20 circulaire. De préférence, les éléments de maintien ont une surface en contact avec la structure textile inférieure aux éléments mobile de manière à ne pas perturber l'imprégnation. De préférence, les éléments de maintien maintiennent la 25 structure textile durant la phase d'imprégnation. Le procédé selon l'invention permet une imprégnation rapide et efficace de la structure textile quelque-soit la matrice employée. De préférence, la matrice employée contient une résine 30 thermoplastique. De préférence, la matrice employée contient une résine chargée de fibres courtes. L'utilisation de fibres courtes dans une résine thermoplastique rend la résine très visqueuse.

35 De préférence, la structure textile comporte des volumes inter- plis permettant d'améliorer l'imprégnation de la structure textile.

3028797 11 De préférence, la structure textile comporte au moins un volume inter-plis. Un volume inter-plis est obtenu par perforation de la structure textile.

5 De préférence, on perfore la structure textile de manière à obtenir au moins un volume inter-plis. La perforation est de préférence mécanique, grâce à des aiguilles ou des tiges. Selon un exemple, la perforation est réalisée par jet d'air ou jet 10 d'eau. Selon un exemple particulièrement préféré, la perforation est réalisée par une feuille à tiges intégrée à la structure textile. De préférence, la feuille de tiges est constituée d'un fond et d'une multitude tiges faisant saillie de la surface du fond.

15 De préférence, la structure textile comprend une feuille de tiges. Ce dernier exemple a l'avantage de maintenir la structure textile en position et permet de maitriser la forme des volumes inter-plis. De préférence, la ou les feuilles à tiges sont réalisées dans une résine similaire à la résine utilisée pour l'imprégnation.

20 Les produits composites fabriqués selon le procédé selon l'invention peuvent disposer de formes faisant saillie de leur surface. Les formes faisant saillie de leur surface peuvent être des motifs, des bossages ou des nervurages.

25 Un motif peut être une gravure, un grainage ou une texturation. Les formes faisant saillie de la surface sont de préférence exemptes de fibres continues. Les formes faisant saillie de la surface se trouvent de préférence en dehors de la structure textile et sont donc moulés par des formes 30 moulantes du dispositif de moulage non complémentaires de la structure textile. De préférence, le dispositif de moulage comporte au moins une forme moulante non complémentaire de la structure textile. De préférence, la forme moulante est positionnée en vis-à-vis de 35 au moins un volume inter-plis.

3028797 12 Les volumes de liaison inter-plis permettent de créer un ancrage en profondeur de la forme faisant saillie de la surface dans le produit composite. De préférence, un insert est surmoulé et lié à la pièce durant 5 l'opération de moulage. Un insert est défini comme un élément qui a été fabriqué au préalable. Un insert est de préférence fabriqué dans un matériau autre que les matériaux utilisés dans le produit composite selon l'invention.

10 De préférence, l'insert est métallique. De préférence, au moins deux résines différentes, de préférence compatibles sont injectées dans le dispositif de moulage.

15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : 20 La figure 1 est une vue de dessus d'un produit composite composé de fibres continues tissées et d'une matrice contenant de la résine et des fibres courtes selon l'invention ; La figure 2 est une vue en perspective d'un produit 25 composite stratifié selon l'invention, composé d'un empilage de plis et de volumes de liaison inter-plis ; La figure 3A est une section de l'empilage de plis, avant l'étape d'imprégnation ; La figure 3B est une section de l'empilage de plis, durant 30 une première phase d'imprégnation par une matrice composée de résine et de fibres courtes ; La figure 3C est une section de l'empilage de plis, durant une deuxième phase d'imprégnation par une matrice composée de résine et de fibres courtes ; 35 La figure 3D est une section de l'empilage de plis, une fois l'imprégnation finalisée ; 3028797 13 La figure 4 illustre un autre exemple de volumes de liaison inter-plis du produit composite stratifié selon l'invention ; La figure 5 illustre le produit composite stratifié selon l'invention, dans une zone de jonction ; 5 La figure 6 illustre un exemple de produit composite selon l'invention, comprenant une forme surmoulée faisant saillie de la surface du produit composite ; La figure 7 illustre un exemple de produit composite assemblé selon l'invention ; 10 - La figure 8 est une section d'un exemple de dispositif de moulage selon l'invention ; Les figures 9A à 9C illustrent les étapes successives du procédé selon l'invention ; La figure 10 représente les directions d'imprégnation et 15 leurs orientations dans la structure textile ; La figure 11 illustre une première variante du dispositif de moulage selon l'invention ; La figure 12 illustre une deuxième variante du dispositif de moulage selon l'invention ; 20 La figure 13 illustre un exemple d'installation permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION 25 Un exemple de produit issu du procédé selon l'invention est illustré en figure 1. Le produit, représenté en vue de dessus, est composé d'une structure textile sous la forme d'un tissé d'armure sergé où les fibres continues sont rassemblées en torons 17 de 3000 fibres de carbone continues. Le sergé est composé de torons de fils 30 de chaîne 17 et de torons de fils de trame 17'. Chaque fibre continue a un diamètre autour de 7 p.m. Le voile de tissé représenté est imprégné par une matrice 14 composée d'une résine thermoplastique et de fibres courtes de carbone. La matrice relie l'ensemble des fibres continues du voile tissé.

35 La résistance mécanique d'un produit composite est proportionnelle au pourcentage volumique des renforts le 3028797 14 composant. L'ajout de fibres courtes dans la matrice, comme proposé dans l'invention, augmente le pourcentage de renforts dans le produit, ce qui augmente fortement ses propriétés mécaniques globales. De préférence, le pourcentage volumique de renfort dans le 5 produit composite selon l'invention est supérieur à 50% et de préférence compris entre 60 et 80 %. Les renforts, fibres continues et fibres courtes, ont de préférence un diamètre compris entre 1 et 20 gm et de préférence entre 5 et 10 p.m.

10 Un toron est de préférence composé de 3000 à 10000 fibres continues mais peut être composé de 1000 à 24000 fibres continues. Les fibres continues et les fibres courtes sont de préférence de même nature mais peuvent être de nature différente. Les renforts peuvent être des fibres de carbone, de verre, d'aramide... ou encore 15 des fibres naturelles telles que du lin ou du chanvre. Les charges renforçantes contenues dans la résine sont de préférences des fibres courtes mais elles peuvent être des charges minérales telles que du noir de carbone ou encore des billes de verre. La résine est de préférence une matrice organique, 20 thermodurcissable ou thermoplastique. De préférence, la résine est une résine thermoplastique haute performance du type PEEK, PEKK, PPS, PEI, PES, PAI, PBI, PI... La résine peut également être une résine thermoplastique de grande diffusion telle que du PA, PP, PC, PE... Selon l'exemple de la figure 1, on emploie un tissé d'armure 25 sergé. L'armure est le mode d'entrecroisement des fils de chaîne et des fils de trame dans le tissé. Une armure de type sergé est une armure ou les fils de chaine et/ou de trame passent sous plusieurs fils de trame et/ou chaine. Le voile sergé est très déformable, il est donc très utilisé dans les produits composites de formes complexes. Le 30 voile de sergé selon l'exemple représente un pli et a une épaisseur de 0,13 mm. Un produit composite selon l'invention peut également être construit à partir de tissés d'armures satin ou taffetas mais également de voiles non-tissé ou mat ou encore de tricot, tressé ou unidirectionnels. Un pli a une épaisseur de préférence entre 0,05 mm 35 et 0,5 mm et de préférence entre 0,1 et 0,2 mm.

3028797 15 La figure 2 représente une vue en perspective d'un produit composite 20 selon un autre exemple de réalisation. Le produit composite stratifié selon l'exemple est composé d'une structure textile composée d'un empilage de plis 11 unidirectionnels. Dans ce 5 type de plis, les torons 17 de fibres continues sont parallèles et donc orientés dans une même direction. L'obtention de propriétés mécaniques uniformes dans un empilage de ce type nécessite que chaque pli 11 soit orienté différemment. Dans le produit composite 20, l'empilage est du type 0° ; +45° ; 90° ; -45° ; 0°, chaque angle 10 correspondant à l'orientation du pli concerné, dans cet exemple 0° correspond à une orientation selon l'axe Y et 90° à une orientation selon X. Dans l'exemple, des volumes de liaison inter-plis 21' sont régulièrement répartis dans le produit 20. Les volumes de liaison 15 inter-plis selon cet exemple traversent l'épaisseur du produit de part en part, selon l'axe Z, et sont composés d'une matrice 14 contenant de la résine et des fibres courtes. Ces fibres courtes relient les plis successifs, ce qui permet au produit composite 20 de posséder une haute résistance à la délamination.

20 La présence de ces volumes inter-plis permet également d'augmenter la ductilité du produit composite. Les volumes de liaison inter-plis 21' ont pour objectif d'augmenter la résistance à la délamination sur un produit composite 25 déjà imprégné mais ils ont également un rôle majeur dans l'efficacité de l'imprégnation lorsque la matrice employée est visqueuse comme c'est le cas pour de la résine thermoplastique et très visqueuse comme c'est le cas pour de la résine thermoplastique chargée de fibres courtes.

30 De préférence, une résine selon l'invention possède une viscosité supérieure à 1 Pa.s, une résine visqueuse selon l'invention possède une viscosité supérieure à 100 Pa.s et une résine très visqueuse selon l'invention possède une viscosité supérieure à 1000 Pa.s, au moment de l'imprégnation. Ces viscosités sont données à 35 titre indicatif car elles dépendent de nombreux paramètres tels que la température et le taux de cisaillement.

3028797 16 Les figures 3A, 3B, 3C et 3D illustrent les différentes étapes du procédé d'imprégnation selon l'invention. La figure 3A représente la structure textile 30 dont est issu le 5 produit composite stratifié 20. Selon l'exemple, la structure textile est un empilage de plis. Un empilage est constitué d'au moins un pli mais comporte de préférence au moins deux plis. Dans cet exemple, l'empilage comporte cinq plis 11, séparés par des frontières 12 appelées 10 interfaces inter-laminaires. Des vides 21 ont été réalisés dans l'empilage. Ces vides sont appelés volumes inter-plis et ils ont une forte perméabilité, c'est-à-dire qu'ils se laissent facilement traverser lorsqu'ils sont mis en présence d'un liquide sous pression. La figure 3B représente la première étape de l'imprégnation de 15 la structure textile 30 par la matrice 14. La matrice remplit préférentiellement les espaces de plus forte perméabilité, c'est-à-dire les volumes inter-plis 21, l'imprégnation a alors lieu selon la direction Z. Les volumes inter-plis avant imprégnation sont notés 21 et ils sont notés 21' après imprégnation. L'orientation des fibres courtes 10 est 20 aléatoire. La figure 3C représente la deuxième étape de l'imprégnation. Elle correspond à une imprégnation selon les plans inter-laminaires 12. La fraction volumique de fibres courtes contenue dans les volumes imprégnés durant cette phase est inférieure à la fraction 25 volumique de fibres courtes contenue dans les volumes de liaison inter-plis. La figure 3D est le produit composite obtenu suite à ces différentes étapes d'imprégnation. La plus grande fraction volumique 30 de fibres courtes est contenue dans les volumes de liaison inter-plis 21' mais des fibres courtes 10 sont également présentes dans les interfaces inter-laminaires 12. La figure 4 représente les volumes de liaison inter-plis agencés 35 selon un autre exemple de réalisation. Cet exemple illustre différentes variantes de volumes de liaison inter-plis. Les volumes de 3028797 17 liaison inter-plis peuvent être isolés des faces extérieures du produit composite. Les volumes de liaison inter-plis peuvent également réaliser des détours le long des interfaces inter-laminaires 12. Ils forment alors un réseau complet de liaison entre les plis. Ces réseaux 5 permettent de dimensionner au mieux le produit composite pour répondre aux sollicitations de son environnement. Ce type de réseau permet également d'améliorer l'imprégnation de l'empilage. La figure 5 représente un autre avantage majeur de l'invention.

10 Pour fabriquer un produit composite de géométrie complexe, présentant des angles vifs, des faibles rayons de courbure ou des variations de formes soudaines, la réalisation d'une préforme n'est pas toujours suffisante, il faut alors fréquemment réaliser des jonctions dans le produit. Une jonction nécessite la plupart du temps 15 de faire des coupes 18 dans les plis 11 pour pouvoir prendre les angles vifs ou les petits rayons. Ces jonctions correspondent alors à une interruption d'au moins un des plis, fragilisant l'empilage. L'invention permet de créer un volume de liaison inter-plis 21' au travers de ces zones de jonction, consolidant ainsi fortement ces 20 zones. La figure 6 représente un produit composite 40 selon l'invention ayant une forme faisant saillie de la surface du produit composite sur une de ses faces. La forme 25 est composée de la même matrice que 25 le produit composite 20. Cette forme 25 est de préférence moulée pendant l'imprégnation des plis. Ces formes moulées se trouvent de préférence en regard des volumes de liaison inter-plis 21' assurant ainsi un véritable ancrage de la forme 25 dans le produit composite 20. Dans l'exemple de la figure 6, un insert métallique 26 est 30 également surmoulé dans le produit. Selon un mode préférentiel la forme faisant saillie est moulée en même temps que l'imprégnation mais elle peut également être moulée dans une autre étape.

35 Ce principe est également applicable pour assembler plusieurs produits composites distincts. La figure 7 illustre un exemple 3028797 18 d'assemblage de deux produits composites stratifiés. De préférence, les volumes de liaison inter-plis 21' des deux pièces se trouvent en regard de façon à créer une continuité entre les deux produits et à créer un assemblage résistant.

5 L'invention concerne également un procédé de fabrication permettant d'obtenir le produit composite selon l'invention. La présence de volumes inter-plis facilite l'imprégnation d'une structure textile, mais pour de nombreuses matrices, particulièrement les 10 résines thermoplastiques et encore plus particulièrement les résines thermoplastiques chargées de fibres courtes, elle ne suffit pas à assurer une bonne imprégnation de la structure textile. Le procédé selon l'invention permet de réaliser des produits composites stratifiés chargés de fibres courtes comme dans 15 l'exemple illustré sur la figure 1. Ce nouveau procédé peut également être appliqué pour réaliser les produits de l'art antérieur, tels que des produits composites stratifiés sans fibres courtes. Il peut également être appliqué pour les produits composites tissés en trois dimensions.

20 Ce procédé, par sa simplicité et son efficacité est facilement implantable sur des machines de production très répandues telles que les presses d'injection plastique. Le procédé selon l'invention privilégie un flux d'imprégnation 25 dans la direction Z plutôt que dans les plans X-Y. Ce mode d'imprégnation améliore la qualité d'imprégnation de la structure textile et accélère considérablement les cadences de fabrication. Il consiste à ne fermer que partiellement le dispositif de moulage lors d'une première phase d'injection, laissant ainsi un vide 30 au-dessus de la structure textile, puis à injecter de la résine dans ce vide. Une fois le vide rempli de résine, le dispositif de moulage est fermé complètement de façon à supprimer le jeu au-dessus de la structure textile, la résine est alors comprimée ce qui la force à imprégner la structure textile.

3028797 19 De préférence, la matrice est composée de résine thermoplastique. De préférence, la résine thermoplastique est chargée de fibres courtes. Les résines thermoplastiques sont très sensibles à la 5 température, non seulement leur viscosité augmente lorsque leur température diminue mais elles se figent lorsqu'elles sont en contact avec des surfaces froides, de température inférieure à leur température d'écoulement. Lors du remplissage du vide au-dessus de la structure textile, 10 une peau se forme entre la matrice et la structure textile. Cette peau rend très difficile, voire impossible, l'imprégnation de la structure textile. L'imprégnation est impossible avec de la résine thermoplastique chargée de fibres courtes. Le procédé selon l'invention est illustré dans les figures 8, 9A, 9B 15 et 9C. Il consiste à éviter l'apparition de cette peau en intégrant des éléments mobiles 51 dans un dispositif de moulage 50 composé d'au moins deux parties 52 et 53. Ces éléments mobiles sont mis en contact avec des surfaces 101 de la structure textile tandis qu'un jeu est laissé au-dessus des 20 surfaces 102. Lors de la première phase du cycle d'injection, illustrée en figure 9A, le volume 54 présent au-dessus de la structure textile en regard des surfaces 102 est rempli d'une matrice 14. Au-dessus signifie dans ce texte à l'extérieur de la structure textile et en dessous, à l'intérieur de cette structure.

25 La matrice 14 continue ensuite à être poussée dans le dispositif de moulage même après la fin du remplissage des volumes 54 de manière à augmenter sa pression interne et la pression qu'elle exerce sur les éléments qui l'environnent. Cette pression augmente ainsi jusqu'à atteindre une pression prédéterminée, les éléments mobiles 30 51 sont alors actionnés, libérant ainsi les vides 55 au-dessus des surfaces 101. La figure 9B illustre cette étape du procédé selon l'invention. La forte pression emmagasinée dans les volumes 54 durant la première phase permet de remplir les vides 55 très rapidement.

35 Aucune peau n'a le temps de se former et l'imprégnation de la structure textile en dessous des surfaces 101 est pratiquement 3028797 20 instantanée. La figure 9C illustre le dispositif de moulage 50, une fois l'imprégnation finalisée, permettant ainsi d'obtenir le produit composite 20. De préférence, le dispositif de moulage 50 commence à se 5 fermer juste avant le déclenchement des éléments 51, de manière à exercer une pression supplémentaire sur la matrice 14. La fermeture du dispositif de moulage peut également être effectuée avant ou après le déclenchement des éléments mobiles 51. De préférence, c'est la pression dans la matrice 14 qui actionne les éléments mobiles 10 51. De préférence, l'imprégnation est réalisée par les deux faces de la structure textile. La figure 10 représente les directions d'imprégnation et leur orientation dans la structure textile 30. Le 15 procédé selon l'invention comprend au moins dans deux zones distinctes des flux d'imprégnation d'orientations opposées. De préférence, les vecteurs des flux d'imprégnation Fz du déplacement de la matrice en Z dans la structure textile sont positifs dans certaines zones et négatifs dans d'autres. Les flux d'imprégnation vont de 20 préférence des surfaces 101 vers les surfaces 102. Pour certains types de matrices, en particulier les matrices peu visqueuses, l'imprégnation de la structure textile peut également être effectuée par les surfaces 102. Néanmoins, même selon ce cas particulier, l'imprégnation reste majoritaire par les surfaces 101.

25 Une autre particularité de ce nouveau procédé est que l'imprégnation n'est pas effectuée à la même vitesse dans toute la structure textile. De préférence, la structure textile 30 est imprégnée à une première vitesse dans l'épaisseur en dessous des surfaces 102 et à une deuxième vitesse, bien plus rapide, dans l'épaisseur en 30 dessous des surfaces 101. Pour des viscosités élevées, comme avec certaines matières thermoplastiques, l'épaisseur en dessous de 102 ne peut même pas être imprégnée, il faut alors imprégner la structure textile par ses deux faces, les flux d'imprégnation peuvent alors être inversés pour des surfaces attenantes.

35 Après la solidification de la résine, le dispositif de moulage est ouvert pour libérer le produit composite obtenu. Cette nouvelle 3028797 21 méthode, très efficace, permet de fabriquer des pièces composites composées de fibres longues et de fibres courtes telles que décrites dans cet exposé mais elle est également particulièrement avantageuse pour fabriquer des produits composites composés de 5 résine et de fibres longues selon l'art antérieur. Pour imprégner les structures textiles de ces produits, les volumes inter-plis 21 ne sont pas indispensables. Ce procédé est un procédé d'imprégnation séquencé. Selon l'exemple illustré, l'imprégnation est effectuée en deux étapes. Selon 10 un mode préféré, particulièrement dans le cas de produits composites de grande taille, l'imprégnation est réalisée en plus de deux étapes. Contrairement à l'art antérieur, où seule la fermeture du dispositif permettait d'augmenter la pression dans la matrice, le 15 procédé selon l'invention conjugue la pression fournie par la machine d'injection et la pression due à la fermeture du dispositif de moulage. Dans la configuration présentée sur les figures 8, 9A, 9B, 9C, le dispositif de moulage 50 est partiellement fermé et un jeu subsiste 20 au-dessus de la structure textile. Les éléments mobiles 51 ont une portion de leurs surfaces en vis-à-vis ce qui permet de maintenir la structure textile en position pendant l'injection. Dans l'exemple, les éléments 51 sont actionnés simultanément mais ces éléments peuvent être actionnés indépendamment.

25 Sur les figures les éléments mobiles sont actionnés par des ressorts mais ils peuvent également être actionnés par tout autre type d'actionneurs du type moteurs, vérins hydrauliques, vérins pneumatiques... De préférence le dispositif de moulage dispose de capteurs de 30 pression, ces capteurs permettent de mesurer la pression dans les volumes 54 et permettent d'actionner le mouvement des éléments mobiles 51 lorsque la pression nécessaire à l'imprégnation de la structure textile est atteinte. Pour un empilage, la pression de déclenchement est proportionnel au nombre de plis de l'empilage.

35 3028797 22 La figure 11 illustre une variante du dispositif de moulage dans lequel des éléments de maintien 58, indépendants, sont utilisés pour maintenir la structure textile pendant l'imprégnation.

5 La figure 12 illustre une variante du dispositif du moulage selon l'invention dans lequel des formes moulantes 59 non complémentaires de la structure textile 30 sont présentes dans le dispositif de moulage. Selon le procédé, les bossages 59 sont intégralement remplis de matrice.

10 Selon l'exemple, un insert 26 est surmoulé durant le procédé. La figure 12 illustre un exemple d'installation permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Cette installation est composée de différents postes de fabrication 100, 110, 120, 130 15 correspondants chacun à une ou plusieurs opérations de fabrications : empilage des plis, perforation de l'empilage, préformage de l'empilage et imprégnation de l'empilage. Selon l'exemple illustré en figure 12, le premier poste de fabrication 100 consiste à empiler les plis 11 et à interposer un liant 20 19 sous forme de poudre thermoplastique entre chaque pli. D'autres liants, tels que des fibres thermofusibles ou tout autre adhésif peuvent être utilisées. L'empilage 35 est ensuite transféré dans le poste de fabrication 110 qui réalise les opérations de perforation et de préformage de 25 l'empilage. L'empilage 35 est pressé dans l'outillage 55, les tiges 70 pénètrent dans l'empilage 35 et le traversent de part en part. L'outillage est chauffé de manière à faire fondre le liant et à solidariser les différents plis de l'empilage. L'empilage 35' obtenu est ensuite transféré au poste de 30 fabrication 120 où l'opération d'imprégnation est réalisée. Le moyen pour l'opération d'imprégnation comprend entre autres un dispositif de moulage 50 et une presse à injecter 80. La presse à injecter selon l'exemple est une presse à injecter pour matière thermoplastique. Selon d'autres modes de réalisation, le moyen d'imprégnation peut 35 être composé d'un dispositif de moulage et d'une machine 3028797 23 d'injection pour résine thermodurcissable ou résine thermoplastique réactive. Le produit stratifié composite obtenu est ensuite extrait du dispositif de moulage.

5 Le poste de fabrication 130 correspond au contrôle et au conditionnement du produit composite stratifié obtenu. L'opération de préformage est une opération consistant à donner une forme proche de la forme finale à un empilage. Le liant 10 permet de maintenir l'empilage dans la forme donnée. Le liant est diffus dans l'empilage de façon à ne pas troubler l'imprégnation. A noter que le liant comme d'autres additifs subsistent dans la matrice une fois le produit composite finalisé. L'empilage peut également être solidarisé par des fils par tricotage ou tissage.

15 L'étape de perforation selon l'exemple consiste à créer des vides par l'utilisation d'une multitude de tiges 70. Selon un autre mode de réalisation, les vides sont créés par perforation laser ou ultrasons. Selon un autre mode de réalisation, les vides sont créés par jets 20 d'eau ou jets d'air. Selon un exemple, l'opération de perforation est réalisée sur le même poste que l'opération d'empilage. Selon un exemple, l'opération de perforation est réalisée sur le même poste que l'opération d'imprégnation.

25 Selon un exemple préféré, l'opération de préformage est réalisée sur un poste de fabrication indépendant. Dans ce cas, les vides 21 réalisés au préalable améliorent la déformabilité de l'empilage, l'opération de préformage est alors facilitée. Les volumes inter-plis 21 ne sont pas nécessairement des vides, 30 ils peuvent être chargés d'une mousse qui peut fusionner durant le procédé d'imprégnation. Ils peuvent être également composés d'un polymère rigide, dans ce cas le polymère peut se présenter sous la forme d'une feuille formant support d'une multitude de tiges qui font saillie de la surface de ce support. L'avantage d'un tel support est 35 qu'il facilite l'opération d'empilage. La feuille de tiges sert également de support de maintien en position de l'empilage pendant les 3028797 24 différentes phases de manipulations et de transfert entre les postes de fabrication. Elle peut dans certains cas particuliers remplacer la fonction du liant. Les tiges écartent les fibres de la structure textile créant un jeu, la fonction de haute perméabilité du volume inter-pli 5 est donc maintenue dans cet exemple. De préférence, la feuille de tiges fond au passage de la matrice. De préférence, la feuille de tiges comprend une surface servant de décor. De préférence, la feuille comprend des tiges sur ses deux faces.

10 De préférence, le support n'est pas plein et se présente sous la forme d'une grille. Le produit composite selon l'invention et son procédé sont particulièrement destinés aux domaines du transport qui nécessitent des pièces légères avec de hautes performances mécaniques et des 15 cadences de fabrications élevées. L'invention est particulièrement destinée aux pièces de structure pour l'automobile et l'aéronautique.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un produit composite caractérisé en ce que : - on place au moins une structure textile (30) dans un dispositif de moulage (50), on ferme partiellement le dispositif de moulage de façon à laisser un vide en regard de premières surfaces (102) de la structure textile, on couvre des deuxièmes surfaces (101) de la structure textile grâce à des éléments mobiles (51) du dispositif de moulage, - on injecte une matrice (14) dans les vides (54) laissés dans le dispositif de moulage, on actionne les éléments mobiles (51) de façon à découvrir les deuxièmes surfaces (101), - on remplit le ou les vides (55) ainsi libérés et on imprègne la structure textile (30) avec la matrice (14).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice (14) est mise sous pression dans les volumes (54) en regard des premières surfaces (102) avant l'actionnement des éléments mobiles (51).
3. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée majoritairement selon la direction Z.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée par les 2 faces de la structure textile (30).
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape d'imprégnation, on perfore la structure textile (30) de manière à obtenir au moins un volume inter-plis (21).
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape d'imprégnation, on introduit au moins une feuille de tiges dans la structure textile de manière à créer des volumes (20, 21'). 3028797 26
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la feuille de tiges comprend un support non plein de manière à pouvoir imprégner la structure textile (30) avec la matrice (14).
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 5 qu'on moule au moins une forme moulante (59) non complémentaire de la structure textile (30).
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on surmoule au moins un insert (26).
10. 10.Produit composite obtenu par la mise en oeuvre du procédé 10 selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un volume de liaison inter-plis (21').
11. 11.Produit composite selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un volume de liaison inter-plis (21') comprend au moins une fibre courte (10). 15