FR3053912B1 - Procede d’obtention d’une piece profilee courbe en matiere composite thermoplastique et installation de mise en œuvre de ce procede - Google Patents

Abstract

Un procédé de pultrusion permet d'obtenir une pièce profilée (7) en matériau composite thermoplastique, avec les étapes consistant à : ? préparer un matériau composite intermédiaire (7a) comprenant un matériau de renfort fibreux et une matrice thermoplastique; ? faire passer le matériau intermédiaire (7a) dans une unité de calibrage (6) et le calibrer par refroidissement selon une section finale spécifique de la pièce profilée souhaitée en lui conférant une trajectoire courbe.

Description

PROCÉDÉ D’OBTENTION D’UNE PIÈCE PROFILÉE COURBE EN MATIÈRE COMPOSITE THERMOPLASTIQUE ET INSTALLATION DE MISE EN ŒUVRE DE CE PROCÉDÉ

DOMAINE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé d’obtention d’une pièce profilée courbe en matière composite thermoplastique et une installation de mise en oeuvre de ce procédé. Elle concerne en particulier un procédé de pultrusion.

ART ANTÉRIEUR

Pour la fabrication de profilés en matériaux composites, la technique connue de pultrusion est largement utilisée. Elle permet en effet d'obtenir des profilés de sections constantes aux propriétés mécaniques élevées et de surcroît présentant un bon rapport performance/poids par rapport aux matériaux traditionnels. Il s’agit en pultrusion de tirer d'une façon continue ou semi-continue un faisceau de fibres unidirectionnelles et/ou multidirectionnelles au travers d’une filière permettant d’imprégner lesdites fibres d’une résine polymérisable et de polymériser la résine dans la filière pour former un profilé composite en sortie de ladite filière, avec une matrice incorporant les fibres. Cette technique est généralement mise en oeuvre avec des résines thermodurcissables. Le profilé est complètement formé à sa sortie de la filière et parfaitement droit. Dans le cas des résines thermodurcissable, la forme du profilé n’est par ailleurs pas modifiable après sa sortie de la filière. Cette technique nécessite de prévoir un outillage complet pour chaque section de profilé que l’on souhaite fabriquer, depuis la zone d’imprégnation jusqu’à la sortie de la filière.

Le faisceau de fibres est typiquement un regroupement de mèches, chaque mèche étant composée d’une multitude de fibres, par exemple de fibres de verre, placées côte-à-côte sans entrecroisement. Une mèche est aussi appelé stratifil dans le cas du verre ou désigné par le terme anglais « roving ».

Certaines résines thermoplastiques peuvent se travailler à la manière d’une résine thermodurcissable, c’est-à-dire par voie réactive. La polymérisation des monomères thermoplastiques a lieu alors in situ dans l'outillage de pultrusion. Dans ce cas, le profilé sort généralement selon la forme finale de la filière de pultrusion qui, dans son étendue comprise généralement de 700 à 1000 mm, intègre une zone d’imprégnation suivie de la zone de polymérisation ayant la forme du profilé souhaité de sorte que le profilé sort dans sa forme finale, généralement à l’état solide c’est-à-dire à une température en dessous du point de fusion de la matrice qui le compose. La zone de polymérisation joue donc également le rôle de zone de calibrage. La filière et le profilé sont droits. L'avantage de cette technologie réside dans l’utilisation de précurseurs tels que des monomères de très faible viscosité, ce qui conduit à pouvoir utiliser des taux de renfort très importants tout en ayant une excellente et très homogène imprégnation des fibres. Les systèmes réactifs existant pour la pultrusion sont principalement basés sur des mécanismes de polymérisation anionique de monomères comme pour le polyamide 6, à partir d'e-caprolactame, le polyamide 12, à partir de lauryllactame, ou des polymérisations radicalaires comme avec le PMMA, à partir de méthacrylate de méthyle. Dans la suite du document, on appellera résine le mélange des précurseurs qui formera le polymère et la matrice après la réaction de polymérisation.

Dans certaines utilisations, il est souhaitable d’obtenir des profilés courbes.

Par exemple, le document US 2015/0129116 Al propose de fabriquer un pare-choc de véhicule comportant un renfort en matériau composite, avec des fibres enrobées d'une matrice thermoplastique. Le renfort est un profilé de section constante et s’étendant en courbe.

Dans l’une des techniques envisagées pour la production d'un tel renfort, une filière dans laquelle passe un faisceau de fibres en recevant un précurseur de la matière thermoplastique a une trajectoire courbe correspondant à la courbure du profilé à réaliser. Ainsi, la polymérisation de la résine a lieu dans la filière alors que l’ensemble des composants sont déjà conformés dans la trajectoire finale du profilé. Dans une autre technique, le profilé est produit par pultrusion en étant droit, puis est cintré dans un outillage, par une opération d’emboutissage, par exemple.

Un autre exemple de procédé de pultrusion est montré par le document WO 2008/116560 Al, pour fabriquer un profilé courbe en matière thermodurcissable. Une filière a une courbure correspondant à celle du profilé à fabriquer. L'avancement des composants dans la filière est réalisé par pas. Dans un premier temps, la partie formée du profilé est maintenue fixe au niveau de la sortie de la filière et la filière subit un pivotement dans le sens inverse du mouvement du profilé centrée sur le centre de la courbure. Une nouvelle portion des fibres progresse ainsi à l'intérieur de la filière tandis qu'une partie du profilé en ressort. Puis la filière revient à sa position initiale en entraînant les fibres et le profilé avec elle dans la direction de tirage.

Cependant, ces procédés présentent quelques défauts. Tout d’abord, pour chaque rayon de courbure d’un profilé avec une même section, il est nécessaire de réaliser un outillage complet s’étendant sur une grande longueur, et donc onéreux. Par ailleurs, dans le cas du document US 2015/0129116 Al, on constate que les fibres ont tendance à se concentrer du côté intérieur de la courbure du fait de la tension qu’elles subissent. Dès lors, la densité des fibres dans une section n’est plus homogène, en étant plus faible du côté extérieur que du côté intérieur de la courbure. La courbure ne peut être que faible car sinon, des bourrages apparaissent du fait de la répartition inégale des fibres. .

OBJECTIFS DE L’INVENTION

Pour résoudre ces problèmes l’invention vise à fournir un procédé permettant de fabriquer une pièce composite profilée courbe ne présentant pas de défaut de densité de fibres avec un outillage modulaire sans efforts de tirage excessifs.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un procédé de pultrusion pour obtenir une pièce profilée en matériau composite thermoplastique, comprenant les étapes consistant à préparer en ligne droite un matériau intermédiaire comprenant un matériau de renfort fibreux et une matrice thermoplastique; faire passer le matériau intermédiaire dans une unité de calibrage et le calibrer par refroidissement selon une section finale spécifique du profilé souhaité ; le procédé étant caractérisé en ce qu’on monte ou maintient la température du matériau intermédiaire avant le passage dans l’unité de calibrage au moins à un niveau dans lequel la matrice est malléable, et on confère une trajectoire courbe à la pièce profilée dans l’unité de calibrage. L’invention permet de fabriquer des pièces profilées courbes de manière beaucoup plus fiable et productive que dans l’art antérieur. En effet, la partie de préparation du matériau composite intermédiaire est réalisée en ligne droite, la direction courbe n’étant conférée que dans l’unité de calibrage. La courbure est conférée au matériau composite intermédiaire encore suffisamment malléable puis figée par le refroidissement, et donc le durcissement de la matrice. La préparation en ligne droite permet de conserver une répartition homogène dans la section du matériau fibreux qui est tiré dans l’axe de l’outillage. Le refroidissement peut en effet être sur une courte distance, de telle sorte que le décentrage du matériau fibreux par rapport à l’axe de l’outillage n’est pas sensible. L’unité de calibrage s'étend par exemple sur une longueur de 50 à 200 mm. Par ailleurs, le changement de courbure ne nécessite que le changement de l'unité de calibrage, puisque la courbure n’est conférée qu’à cet endroit. Les coûts d’outillage en sont fortement réduits lorsque plusieurs profilés de courbures différentes sont à prévoir.

Typiquement, le matériau de renfort est formé des fibres longues, telles que des mèches de fibres minérales, de fibres de verre, de fibres de basalte, de fibres organiques, de fibres d'aramide, de fibres de carbone, appelées également « rovings », de fibres métalliques ou de mélanges des fibres précitées. Le matériau de renfort est par exemple constitué du regroupement d’une multitude de mèches ou de fibres.

Selon une disposition avantageuse, pour préparer le matériau intermédiaire, on procède aux étapes consistant à passer le matériau de renfort à travers une unité d’imprégnation selon une direction de tirage et imprégner ledit matériau de renfort avec une résine polymérisable ; procéder à une polymérisation de la résine dans une unité de polymérisation en aval de l’unité d’imprégnation et en amont de l’unité de calibrage de manière à obtenir la matrice enrobant les fibres partiellement ou totalement polymérisée, pour former avec les fibres un matériau composite intermédiaire. Bien que l’invention soit applicable à un matériau composite intermédiaire préalablement enrobé d’une matrice polymérisée, elle trouve une application pertinente dans la pultrusion réactive thermoplastique.

Selon une caractéristique avantageuse, la température dans l’unité de polymérisation est telle que la matrice est toujours au moins malléable, voire liquide. La production d'une pièce profilée courbe induit que la longueur des fibres à l’extérieur de la courbe est plus longue que celles à l’intérieur. La vitesse de défilement des fibres n’est donc pas homogène. Il est donc important de laisser les fibres libres entre elles afin de ne pas contrarier leur glissement relatif en amont de l’unité de calibrage.

Ceci est atteint par exemple lorsque la température dans l’unité de polymérisation évolue selon un gradient dans la direction de tirage de telle sorte que la matrice est toujours au moins malléable, voire liquide. Le gradient de température est réglé de telle sorte que, en fonction de l’avancement de la polymérisation dans l’unité de polymérisation, on garantit que la matrice ne se fige pas. Une alternative serait de maintenir l’ensemble de l’unité de polymérisation à une température au-dessus de la température de fusion de la matrice. L’utilisation d’un gradient permet de mieux contrôler la cinétique de la réaction de polymérisation.

Selon un perfectionnement, on passe le matériau composite intermédiaire par l’unité de calibrage avant la polymérisation complète de la matrice. On a constaté qu’il était possible de donner sa consistance à la pièce par le refroidissement avant même la fin complète de la polymérisation. L'avantage de procéder ainsi est de pouvoir raccourcir la longueur de l’outillage, ce qui diminue les frottements et donc l'effort de tirage. On diminue également le coût de l’outillage. Alternativement, pour une même longueur d’outillage, il est possible d’accélérer la vitesse de passage des fibres et donc d’obtenir une grande productivité.

Par exemple, la matrice est polymérisée à moins de 90% lors du passage dans l'unité de calibrage. On entend par taux de polymérisation le taux de conversion du monomère de la résine.

De manière complémentaire, on procède à une étape de post-cuisson dans laquelle la pièce profilée est montée en température pour obtenir la polymérisation complète de la matrice. Cette étape peut être conduite par un séjour suffisamment long dans une chambre stabilisée en température. L’invention s’applique avantageusement à un procédé selon lequel la résine comprend un monomère choisi dans le groupe comprenant le caprolactame pour former du polyamide 6 comme matrice thermoplastique par réaction anionique, le lauryl-lactame pour former du polyamide 12 et le méthacrylate de méthyle pour former du polyméthacrylate de méthyle.

Dans cette application, on règle la température dans l’unité de polymérisation pour que la température à l’entrée de l’unité de calibrage soit supérieure à 230°C. Cette température est supérieure à la température de fusion du polyamide 6.

Dans le cas d'une matrice amorphe, on monte la température dans l’unité de polymérisation pour que la température à l’entrée de l’unité de calibrage soit supérieure à une température de transition vitreuse augmentée de 100K. L’invention concerne également une installation de pultrusion pour obtenir une pièce profilée en matériau composite thermoplastique, comportant : > une unité de préparation rectiligne pour préparer un matériau intermédiaire comprenant un matériau de renfort fibreux et une matrice thermoplastique ; > une unité de calibrage pour y faire passer le matériau intermédiaire et le calibrer par refroidissement selon une section finale spécifique de la pièce profilée souhaitée ; l’installation étant caractérisé en ce que l’unité de préparation comporte des moyens thermiques pour monter ou maintenir la température du matériau intermédiaire avant le passage dans l’unité de calibrage au moins à un niveau dans lequel la matrice est malléable, l’unité de calibrage étant configurée pour conférer une trajectoire courbe à la pièce profilée. L’invention a aussi pour objet des profilés courbes composites, caractérisés en ce qu’ils sont fabriqués selon le procédé tel que décrit précédemment et en ce qu’ils constituent des pièces de véhicules routiers, des pièces d’avions, de trains ou de tout autre moyen de transport, des profilés pour le bâtiment, des profilés pour manches d’outillage, des profilés d’échelle, des ressorts à lames, des profilés pour cheminement de câbles, des profilés pour le sport et les loisirs tels que des cross de hockey, des arcs ou bien encore tout autres profilés soumis à des sollicitations mécaniques.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera bien comprise, et d’autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront, en référence aux dessins schématiques annexés, lesquels représentent, à titre d’exemple non limitatif, une forme de réalisation possible du dispositif concerné.

La figure 1 est une vue schématique d’une installation selon un premier mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

La figure 1 représente une installation de pultrusion conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Elle comprend successivement : une unité de dévidage 1 pour dévider des mèches 2 de fibres formant un matériau de renfort, appelés également « rovings » en anglais, une unité de préchauffage 3 des fibres qui permet d’amener les fibres issues de l'unité de dévidage 1 à une température proche de la température de fusion d’une résine; une filière 4 droite composée d’une unité d’imprégnation 41 pour imprégner les fibres avec une résine et d’une unité de polymérisation 42; une unité de mélange 5 de la résine pour mélanger des précurseurs et fournir de la résine à l’unité d’imprégnation ; une unité de calibrage 6 refroidie qui détermine la trajectoire finale d’une pièce profilée 7 composite comprenant les fibres et une matrice issue de la polymérisation de la résine ; et une unité de tirage 8 pour tirer la pièce profilée 7 hors de l'unité de calibrage 6, entraînant les fibres à travers l'installation depuis le dévidage des mèches.

Dans l’unité de mélange 5 de la résine, des précurseurs sont stockés sous forme liquide dans des réservoirs A, B, C. Les précurseurs sont conduits jusqu’à l'unité de mélange 5 selon un débit contrôlé, et mélangés pour former la résine liquide. La résine est injectée dans l’unité d'imprégnation 41 pour mouiller les fibres dans toute leur section et former un matériau composite intermédiaire 7a.

Dans l’unité de polymérisation 42, le matériau composite intermédiaire 7a est monté et maintenu en température. La résine réagit sous l’effet de la température et polymérise au moins partiellement pour former un polymère thermoplastique. Le gradient de température entre l’entrée et la sortie de l'unité de polymérisation 42 est tel que la résine au cours de sa transformation est toujours sous forme malléable ou liquide. L’unité de calibrage 6 est un bloc refroidi comprenant un passage de section constante mais suivant une courbure. Ce passage impose la section et la courbure au matériau intermédiaire qui se fige dans cette trajectoire sous l'effet du refroidissement. La pièce profilée 7 courbe sort ainsi de la filière 4. L'unité de tirage 8 entraîne la pièce profilée 7 et les fibres à travers l’installation en exerçant une traction qui suit la courbure conférée par l'unité de calibrage 6 à la pièce profilée 7. Une unité de découpe, non représentée, permet de couper la pièce profilée 7 à longueur. Après le débit des pièces profilées, celles-ci sont stockées dans une enceinte dont la température est régulée, de sorte que la polymérisation peut se poursuivre. L’unité de tirage 8 comporte par exemple une paire de chenilles dont les trajectoires sont adaptées à celle de la pièce profilée 7. Dans une variante, non représentée, l’unité de tirage 8 comporte une série de galets entraînés et enserrant la pièce profilée 7. Les galets sont répartis le long de la trajectoire courbe. Dans une autre variante, non représentée, l’unité de tirage 8 comporte deux pinces se déplaçant selon la trajectoire courbe de la pièce profilée 7, chaque pince étant configurée pour enserrer sur commande la pièce profilée. Les pinces sont commandées pour tirer alternativement l'une ou l'autre la pièce profilée et assurer le tirage continu.

En utilisation, les précurseurs sont par exemple du caprolactame, un activateur et un catalyseur qui sont maintenus à une température de 80 °C dans les réservoirs. Les fibres sont chauffées dans l’unité de préchauffage 3 à 80°C également. Dans l’unité d’imprégnation 41, la résine est injectée à un débit suffisant pour imprégner complètement les fibres, mais sans reflux. L'unité de polymérisation 42 est chauffée selon un gradient contrôlé jusqu’à la sortie au niveau de laquelle le matériau composite intermédiaire est à 240°C environ. La résine polymérise tout au long de l'unité de polymérisation 42 et reste à l’état liquide, malléable ou fondu tout le long. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits uniquement à titre d’exemple. Le matériau de renfort pourrait être un textile dont les fibres s’entrecroisent.

Claims (9)

1. Revendications

   1. Procédé de pultrusion pour obtenir une pièce profilée (7) en matériau composite thermopiastique, comprenant les étapes consistant à : e> préparer en Signe droite un matériau composite intermédiaire (7a) comprenant un matériau de renfort fibreux etune matrice thermopiastique ; > faire passer ie matériau intermédiaire (7a) dans une unité de calibrage (6) et le calibrer par refroidissement selon une section finale spécifique de ia pièce profilée souhaitée; et pour préparer le matériau intermédiaire, on procède aux étapes consistant à ; > passer le matériau de renfort à travers une unité d’imprégnation (41) selon une direction de tirage et imprégner ledit matériau de renfort avec une résine ; > procéder à une polymérisation de ia résine dans une unité de polymérisation (42) en aval de l’unité d’imprégnation et en amont de l’unité de calibrage (6) de manière à obtenir la matrice enrobant les fibres partiellement ou totalement polymérisée, pour former avec les fibres un matériau composite intermédiaire; le procédé étant caractérisé en ce qu’on monte ou maintient ia température du matériau intermédiaire (7a) avant le passage dans l'unité de calibrage (6) au moins à un niveau dans lequel la matrice est malléable, et on confère une forme courbe à la pièce profilée (7) dans l’unité de calibrage (6).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, seion lequel ia température dans l’unité de polymérisation (42) est telle que la matrice est toujours au moins malléable, voire liquide.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, selon lequel ia température dans l’unité de polymérisation (42) évolue seion un gradient dans la direction de tirage de telle sorte que la matrice est toujours au moins malléable, voire liquide.
4. 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, selon lequel on passe le matériau composite intermédiaire par l’unité de calibrage (6) avant la polymérisation complète de la matrice.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, selon lequel la matrice est polymérisée à moins de 90% lors du passage dans l’unité de calibrage (6).
6. 6. Procédé selon l’une des revendications 4 à 5, selon lequel on procède à une étape de post-cuisson dans laquelle la pièce profilée (7) est montée en température pour obtenir la polymérisation complète de la matrice.
7. 7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, selon lequel ia résine comprend un monomère choisi dans le groupe comprenant le caproiac-tame pour former du polyamide 6 comme matrice thermoplastique par réaction anionique, le lauryl-lactame pour former du polyamide 12 et le méthacrylate de méthyle pour former du polyméthacrylate de méthyle.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, selon lequel on monte la température dans l'unité de polymérisation (42) pour que la température à l’entrée de l’unité de calibrage (6) soit supérieure à une température de transition vitreuse augmentée de 100K dans le cas d’une matrice amorphe.
9. 9. Installation de pultrusion pour obtenir une pièce profilée (7) en matériau composite thermoplastique, comportant : > une unité de préparation rectiligne pour préparer un matériau intermédiaire comprenant un matériau de renfort fibreux et une matrice thermoplastique en passant le matériau de renfort à travers une unité d’imprégnation (41.) selon une direction de tirage et imprégnant ledit matériau de renfort avec une résine, puis en procédant à une polymérisation de la résine dans une unité de polymérisation (42) en aval de l’unité d’imprégnation de manière à obtenir la matrice enrobant les fibres partiellement ou totalement polymérisée, pour former avec les fibres un matériau composite intermédiaire; > une unité de calibrage (6) en aval de l’unité de polymérisation (42) pour y faire passer le matériau intermédiaire et le calibrer par re- froïdissement seion une section finale spécifique de la pièce profilée souhaitée ; l’installation étant caractérisé en ce que l’unité de préparation comporte des moyens thermiques pour monter ou maintenir la température du matériau intermédiaire avant ie passage dans l’unité de calibrage (6) au moins à un niveau dans lequel ia matrice est malléable, l’unité de calibrage (6) étant configurée pour conférer une trajectoire courbe à la pièce profilée (υιό. ProfMés courbes composites, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués selon le procédé de l’une des revendications 1 à 8 et en ce qu'ils constituent des pièces de véhicules routiers, des pièces d'avions, de trains ou de tout autre moyen de transport, des profilés pour le bâtiment, des profilés pour manches d’outillage, des profilés d'échelle, des ressorts à lames, des profilés pour cheminement de câbles, des profilés pour le sport et les loisirs tels que des cross de hockey, des arcs ou bien encore tout autres profilés soumis à des sollicitations mécaniques.