FR3055572B1 - Dispositif de moulage a haute stabilite thermique pour la realisation de pieces en materiaux composites - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de moulage (1) pour la réalisation de pièces en matériau composite, caractérisé en ce qu'il comprend une structure (2) en matériau composite comportant un matériau fibreux imprégné d'au moins une résine polymère, ladite structure comportant un châssis (10) formé de raidisseurs (11), une plaque supérieure (20) en appui sur le châssis (10) et formant une surface de moulage (21), et une plaque inférieure (30) soutenant le châssis (10).

Description

DISPOSITIF DE MOULAGE À HAUTE STABILITÉ THERMIQUE POUR LA RÉALISATIONDE PIÈCES EN MATERIAUX COMPOSITES

[Domaine technique de l’inventioni [0001] L’invention concerne le domaine de la réalisation de pièces en matériaux compositespar moulage. L’invention se rapporte plus précisément à un dispositif de moulage pour laréalisation de pièces en matériaux composites. L’invention concerne également la méthode defabrication de tels dispositifs de moulage, et leurs utilisations pour la fabrication de pièces enmatériaux composites trouvant des applications dans de nombreux domaines tels que lespatial, l’aéronautique ou l’éolien.

[Art antérieur] [0002] Dans les domaines tels que l’aéronautique, le spatial, l’automobile, le ferroviaire,l’éolien, le photovoltaïque, le nautisme, le domaine militaire, le bâtiment, ou encore le géniecivil, certaines pièces et structures obtenues par moulage sont moulées à des températuresélevées, généralement de l’ordre de 200 °C.

[0003] Les moules utilisés pour leur fabrication doivent donc être capables de résister à cestempératures élevées sans se déformer, puisque toute déformation du moule, et en particulierde la surface de moulage participant à la fabrication de la pièce moulée, entraînerait lafabrication d’une pièce moulée déformée, ce qui conduirait pour de nombreuses applications àune baisse significative de ses propriétés mécaniques. Par exemple, dans le cas particulier, oùla pièce moulée est une pale d’éolienne, une déformation de la surface de moulage conduiraità la fabrication d’une pale d’éolienne moulée déformée ayant des performances inférieures auxperformances attendues. De même, si la pièce moulée est un réflecteur d’antenne, unedéformation de la surface de moulage conduirait à une déformation dudit réflecteur et donc àun dysfonctionnement de l’antenne finale.

[0004] Le matériau constitutif du moule est donc choisi en fonction notamment du coefficientde dilatation, aussi désigné en anglais « Coefficient of Thermal Expansion : CTE ». Le CTEcorrespond à la capacité propre du matériau à s’expanser de manière volumique (isotrope ouanisotrope) sous l’effet de l’augmentation de la température. Comme indiqué précédemment,étant donné que la température de moulage d’une pièce en matériau composite estgénéralement de l’ordre de 200 ° C, il est importantque le matériau constitutif du moule possèdeun CTE faible afin que la structure dudit moule, et en particulier sa surface de moulage,conserve une stabilité dimensionnelle la plus grande possible, vis-à-vis des contraintes deprécisions des surfaces à obtenir. Cette altération réduite permet de maîtriser la déviation de forme qui existe entre la surface de moulage et la surface de référence. Cette déviation deforme peut être évaluée par la mesure de l’écart quadratique moyen, de l’anglais « Root MeanSquare Déviation » (RMSD, ou plus simplement RMS) entre la pièce théorique et la piècemoulée.

[0005] Ainsi, les moules sont généralement fabriqués dans des matériaux très résistants etpossédant un faible coefficient de dilatation, tels que le fer, l’acier, ou encore l’invar qui est unalliage de fer à 64% et de nickel à 36%.

[0006] Un inconvénient majeur de ces matériaux est leur poids élevé. Par exemple, un mouleen acier peut peser plus d’une tonne pour une pièce moulée de quelques mètres de diamètre.Cela entraîne des difficultés d’utilisation de ces moules, en particulier lorsqu’ils doivent êtredéplacés, assemblés, stockés, ou encore détruits.

[0007] Une solution envisageable serait d’utiliser des matériaux plus légers pour concevoir lastructure de ces moules. Cependant, le fait d’utiliser un matériau plus léger pour la réalisationd’une telle structure, peut entraîner une fragilisation de cette structure et induire unedéformation de la surface de moulage à haute température. Cela est d’autant plus vrai lorsquele moule possède de très grandes dimensions (plusieurs mètres). Une telle déformation de lasurface de moulage engendre l’obtention d’une pièce dont la surface est également déforméeet non conforme à la surface théorique attendue, entraînant alors un amoindrissement de sespropriétés mécaniques et des dysfonctionnements de la structure finale obtenue parassemblage de telles pièces.

[Problème technique] [0008] L’invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur enproposant un dispositif de moulage léger, rigide, facile à utiliser, et dont la structure, enparticulier la surface de moulage, est stable sur une large gamme de températures, et plusparticulièrement à des températures élevées, généralement supérieures ou égales à 200°C.Une telle surface de moulage stable thermiquement permet ainsi l’obtention d’une pièce finaleprésentant une surface conforme à la surface théorique attendue.

[0009] L’invention vise particulièrement à proposer un tel dispositif de moulage adapté à laréalisation de pièces en matériaux composite de grandes dimensions, ces dernières présentantune surface conforme à la surface théorique attendue.

[0010] L’invention a également pour but de proposer un procédé de fabrication d’un teldispositif de moulage, simple à mettre en oeuvre et moins coûteux que les procédés defabrication existants.

[Brève description de l’inventionl [0011] A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de moulage pour la réalisation depièces en matériau composite, principalement caractérisé en ce qu’il comprend une structureen matériau composite comportant un matériau fibreux imprégné d’au moins une résinepolymère, ladite structure comportant un châssis formé de raidisseurs, une plaque supérieureen appui sur le châssis et formant une surface de moulage, et une plaque inférieure soutenantle châssis. Le châssis est ainsi positionné entre la plaque supérieure et la plaque inférieure.

[0012] Malgré les difficultés connues de maîtrise de la forme de structures de grande tailleen matériau composites, la structure en matériau composite selon l’invention est telle qu’ellepeut présenter de grandes dimensions tout en conservant une grande stabilité thermo-mécanique et géométrique. Ainsi, le dispositif de moulage selon l’invention permet de moulerdes pièces en matériau composite dont la dimension la plus grande peut atteindre plusieursmètres. En effet, le châssis participe à la stabilité mécanique du dispositif de moulage, enparticulier à haute température. De même, la plaque inférieure est essentielle pour la circulationdes efforts. Enfin, l'inertie thermique globale du dispositif de moulage selon l’invention estmoindre comparé à des moules de l’art antérieur, comme des moules en invar. Cescaractéristiques de la structure en matériau composite selon l’invention contribuent au maintiend’un faible coefficient de dilatation, à son homogénéité sur toute la structure et donc à diminuerle RMS de la pièce moulée comparée à la pièce théorique.

[0013] Selon d’autres caractéristiques optionnelles du dispositif de moulage : la résine imprégnant ledit matériau fibreux est une résine polymère dont latempérature de transition vitreuse (Tg) est comprise entre 50 et 400 °C, depréférence entre 80 et 300 °C, de façon plus préfélée entre 150 et 300 °C et defaçon encore plus préférée entre 180°C et 250°C.En effet, que cela soit lors de lafabrication de la structure ou lors de son utilisation pour du moulage, la structure enmatériau composite selon l’invention est telle qu’elle supporte de très hautestempératures sans subir de déformation. Ainsi, il est possible en utilisant une résinepolymère ayant une Tg élevée de fabriquer un dispositif de moulage apte la réalisationde pièces en matériaux composite à très haute températures tout en conservant unRMS faible contrairement aux dispositifs classiques de moulage en matériaucomposite. le matériau fibreux comporte des fibres de verre, de carbone, ou d’aramide. - la résine polymère est une résine thermodurcissable, de préférence de type époxy ; le châssis est formé de trois jeux de raidisseurs différents qui sont assemblésles uns par rapport aux autres de manière à former un motif unique qui se répètesur l’ensemble de la structure du châssis, ledit motif unique étant un triangleéquilatéral. En effet, l’assemblage des trois jeux de raidisseurs de manière à formerun motif unique répété en triangle équilatéral permet à la structure en matériaucomposite de présenter une répartition optimale des contraintes, une réduction de ladéformation à haute température grâce à un comportement isotrope et une robustesseplus importante de la structure dans son ensemble. Cela permet aux moules de résisterde manière optimale aux sollicitations thermo-mécaniques induites par les opérationsde réalisation des pièces composites. Cette raideur globale de l’outillage permet deconserver la stabilité dimensionnelle de la surface moulante dans le spectre detempérature applicable. - les raidisseurs du châssis comprennent des encoches sur leurs bords inférieur et/ousupérieur afin d’être enchâssés les uns dans les autres ; - le matériau fibreux de constitution du matériau composite se présente sous la forme deplis, ou groupes de plis, empilés les uns sur les autres, et orientés les uns par rapportaux autres de manière à ce que la direction des fibres de deux plis, ou groupes de plis,adjacents soit décalée d’un angle compris entre 0° et 90° ; - le matériau fibreux de constitution du matériau composite se présente sous la forme deplis, ou groupes de plis, empilés les uns sur les autres, et orientés les uns par rapportaux autres de manière à ce que les angles de l’ensemble des fibres des plis, ou groupesde plis, forment au moins une symétrie. De préférence, au moins une symétrieenglobant l’ensemble des plis ou groupe de plis. la plaque inférieure comprend une partie centrale munie d’ouverturestraversantes, situées à l’aplomb des motifs formés par les raidisseurs du châssiset dont la forme correspond sensiblement auxdits motifs du châssis, et une partiepériphérique, qui entoure la partie centrale, munie d’ouvertures traversantesformant des poignées. En effet, la présence des ouvertures traversantes permet deréduire le poids mais également l’inertie thermique. - le châssis est fixé à la plaque supérieure et à la plaque inférieure par collage, avec unecolle choisie parmi des résines polymères dont les performances mécaniques,notamment une résistance mécanique aux forces de cisaillement du joint collé luipermettant de résister aux différences de dilatation, sont suffisantes à la température d’utilisation du moule, par exemple dont la température de transition vitreuse (Tg) estsupérieure ou égale à 200°C, de préférence supérieire ou égale à 230°C ; - la colle est avantageusement une résine thermodurcissable, de préférence de typeépoxy ; la plaque supérieure en appui sur le châssis, formant une surface de moulage,présente à 200°C un coefficient de dilatation faible et homogène sur une majoritéde la surface de moulage. Par exemple, la plaque supérieure en appui sur le châssisprésente à 200°C une déformation entraînant une modfication de la surface totale dela structure adaptée à l’objectif RMS de performances du moule par exemple de moinsde 5 % par rapport à la surface totale à 20°C. De p'éférence, le dispositif de moulageselon l’invention permet d’obtenir un RMS à 180°C nférieur à 0,20 mm, de façon pluspréférée inférieur à 0,1 mm. Ainsi, le dispositif de moulage est un dispositif de moulageà haute stabilité thermique.

[0014] L’invention se rapporte en outre à un procédé de fabrication d’un dispositif demoulage, principalement caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - fabriquer des pièces, constitutives dudit dispositif, en matériau composite,lesdites pièces comprenant une plaque supérieure, une plaque inférieure, et unetroisième plaque destinée à être découpée en jeux de raidisseurs, - découper ladite troisième plaque de façon à former trois jeux de raidisseurs, - assembler les jeux de raidisseurs entre eux pour former un châssis, - assembler le châssis préalablement assemblé, aux plaques supérieure etinférieure, de sorte que la plaque supérieure soit en appui sur le châssis et formeune surface de moulage, et que la plaque inférieure soutienne le châssis.

[0015] Selon d’autres caractéristiques optionnelles du procédé de fabrication : - les plaques en matériau composite sont fabriquées par drapage de plis, ou groupe deplis, de matériau fibreux de manière telle que les fibres de deux plis, ou groupes de plis,adjacents sont orientées selon une direction décalée d’un angle compris entre 0° et 90° - la fabrication de la plaque supérieure en matériau composite comprend le drapage deplis, ou groupe de plis, de matériau fibreux de manière telle que les fibres de deux plis,ou groupes de plis, adjacents sont orientées selon une direction décalée d’un anglecompris entre 0° et 90° et de manière à ce que lesangles de l’ensemble des fibres des plis, ou groupes de plis, forment au moins une symétrie. De préférence, au moins unesymétrie englobant l’ensemble des plis ou groupe de plis. - il comprend une étape d’imprégnation des plis par une résine polymère dont latempérature de transition vitreuse (Tg) est supérieure ou égale à 200°C, de préférencesupérieure ou égale à 230°C, puis une étape de polynérisation de ladite résine ; - l’étape d’imprégnation est réalisée par injection de résine, selon un procédé d’infusion.En effet, l’infusion permet une migration optimale de la résine polymère dans les plis etparticipe à l’homogénéisation du coefficient de dilatation sur toute la structure et doncà la diminution du RMS de la pièce moulée. - le matériau fibreux est constitué de fibres de carbone, et la résine est une résinethermodurcissable, de préférence une résine époxy ; - les trois jeux de raidisseurs sont découpés dans la troisième plaque par jets d’eau, parexemple un dispositif de jets d’eau cinq axes pour une adaptation optimale auxcourbures de la surface pour une homogénéisation de l’épaisseur des joint collés ; - préalablement à l’assemblage du châssis avec les plaques inférieure et supérieure, uneautre étape supplémentaire de découpe par jet d’eau consiste à ménager desouvertures traversantes respectivement dans une partie centrale et dans une partiepériphérique de la plaque inférieure ; postérieurement à l’assemblage du châssis avec les plaques inférieure etsupérieure, une étape supplémentaire consiste à détourer la plaque supérieureet à usiner sa surface de moulage. L’étape d’usinage est particulièrementavantageuse car elle permet d’adapter finement la surface de moulage aux dimensionsattendues pour la pièce moulée. Or étant donné que le coefficient de dilatation dudispositif de moulage selon l’invention est maîtrisé, la surface de la pièce moulée encontact avec la surface de moulage présente une très faible déviation par rapport à laforme attendue. Ainsi, cela limite le besoin d’usiner la pièce qui sera moulée avec ledispositif de moulage selon l’invention. - l’étape d’assemblage du châssis avec les plaques inférieure et supérieure est réaliséepar collage, avec une colle choisie parmi des résines polymères dont la température detransition vitreuse (Tg) est supérieure ou égale à 200°C, de préférence supérieure ouégale à 230 °C .

[0016] L’invention se rapporte également à la mise en œuvre du dispositif de moulagedans un procédé de fabrication d’une pièce moulée en matériau composite.

[0017] L’invention se rapporte enfin à une pièce obtenue par la mise en œuvre du dispositifde moulage selon l’invention. Une telle pièce trouve ses applications dans des domaines variéstels que : les domaines militaires et spatial au sol ou en vol, l’aéronautique au sol ou en vol, lesénergies renouvelables tels que l’énergie éolienne ou l’énergie solaire photovoltaïque, ouencore le domaine naval. De préférence, ladite pièce est une pièce de de panneau compositeà destination d’application spatial ou éolienne.

[0018] D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de ladescription suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux Figuresannexées qui représentent : • la Figure 1, un schéma en perspective de la structure d’un dispositif de moulage pourpanneau composite selon l’invention ; • la Figure 2, un schéma en perspective du châssis de la structure du dispositif demoulage de la Figure 1 ; • la Figure 3, un schéma en perspective d’une zone agrandie du châssis de la Figure 2,dans laquelle des raidisseurs sont enchâssés les uns dans les autres ; • les Figures 4A, 4B, et 4C, des schémas en vue de face de raidisseurs constitutifs duchâssis, chaque raidisseur appartenant respectivement à un jeu différent ; • la Figure 5, un schéma en perspective d’une plaque supérieure de la structure dudispositif de moulage de la Figure 1 ; • la Figure 6, un schéma en perspective d’une plaque inférieure de la structure dudispositif de moulage de la Figure 1.

[Description détaillée de l’inventioni [0019] Dans la suite de la présente description, le terme « isogrid » désigne une structuresandwich partiellement évidée, dont les évidements forment des motifs triangulaireséquilatéraux, qui présentent des caractéristiques de résistance mécaniques isotropes.

[0020] Par « sensiblement identique » ou « sensiblement », on entend au sens de l’inventionune valeur variant de moins de 20 % par rapport à la valeur comparée, de préférence de moinsde 10 %, de façon encore plus préférée de moins de 5 %.

[0021] Par « matériau composite », on entend au sens de l’invention un matériau formé d’unassemblage d’au moins deux composants non miscibles, permettant d’obtenir un effet desynergie comparativement aux deux composants pris isolément.

[0022] Par « coefficient de dilatation faible et homogène à 200°C », on entend au sens del’invention une déformation entraînant une modification de la surface totale de la structure de5 % ou moins, par exemple de 2 % ou moins.

[0023] Le dispositif de moulage décrit par la suite permet de réaliser des pièces en matériauxcomposites, et des structures par assemblage de telles pièces, dans des domaines variésparmi lesquels : l’aéronautique, le spatial, l’automobile, le ferroviaire, l’éolien, le photovoltaïque,le nautisme, le domaine militaire, le bâtiment, ou encore le génie civil.

[0024] Un mode de réalisation de ce dispositif de moulage et de ses différents éléments,représenté sur les Figures 1 à 6, s’applique tout particulièrement à la réalisation de panneauxde forme trapézoïdale, par exemple à destination d’application spatiales. Bien évidemment, lesdimensions et les formes des différents éléments du dispositif de moulage pourront varier enfonction du type de pièce destiné à être moulé et de ses applications, sans toutefois sortir ducadre de la présente invention.

[0025] En référence à la Figure 1, le dispositif de moulage 1 comprend une structure 2 enmatériau composite formée de trois éléments principaux : un châssis 10, une plaque supérieure20, et une plaque inférieure 30. La structure du dispositif est dite « en sandwich » en ce que lechâssis 10 est positionné entre la plaque supérieure 20 et la plaque inférieure 30. Il est parailleurs fixé à ces deux plaques supérieure et inférieure. La structure du dispositif de moulage1 est également dite « auto-raidie », le châssis 10 rigide assurant sa stabilité mécanique, enparticulier à haute température.

[0026] Par convention dans la présente description, on définit les termes « supérieur » et «inférieur » en référence au positionnement du dispositif de moulage lors de son utilisation, dansdes conditions d’utilisation courantes. Ainsi lorsque le dispositif de moulage 1 est positionnésur le sol ou sur un support quelconque pour son utilisation en tant que moule, la plaqueinférieure 30 repose sur le sol ou sur le support tandis que la plaque supérieure 20 est orientéeen regard du plafond pour permettre le moulage de la pièce.

[0027] La structure 2 du dispositif de moulage est fabriquée en matériau composite. Depréférence, le matériau composite de la structure comprend un matériau fibreux imprégnéd’une matrice organique telle qu’une résine polymère.

[0028] Le matériau fibreux, encore dénommé renfort fibreux, confère à la structure de bonnespropriétés mécaniques, et en particulier une bonne tenue aux efforts mécaniques subis par lastructure. On choisira avantageusement un matériau fibreux comprenant des fibres continuespouvant être des fibres unidirectionnelles ou des fibres tissées.

[0029] Les fibres constitutives du matériau fibreux peuvent par exemple être sélectionnéesparmi les fibres de verre, de carbone ou d’aramide. De préférence, les fibres constitutives dumatériau fibreux sont des fibres de carbone. De manière avantageuse, il est possible d’utiliserun tissu de carbone dont les fibres sont réparties en chaîne et trame.

[0030] En outre, dans le cadre de la présente invention, les inventeurs ont déterminé desdensités de matériau fibreux permettant de minimiser le coefficient de dilatation de la structure2 fabriquée. Ainsi, de préférence, le matériau fibreux utilisé pour la fabrication de la structure 2présente une densité inférieure à 600 g/m2 et de façon plus préférée inférieure à 450 g/m2. Demême, de préférence, le matériau fibreux utilisé pour la fabrication de la structure 2 présenteune épaisseur inférieure à 0,6 mm et de façon plus préférée inférieure à 0,45 mm.

[0031] Le matériau fibreux organisé en plis, ou en groupes de plis, est empilé et forme lesdifférents éléments de la structure 2 du dispositif de moulage 1. De préférence, le châssis 10,la plaque supérieure 20, et la plaque inférieure 30 sont formés à partir d’un empilement de 4 à40 plis, de façon plus préférée d’un empilement de 6 à 25 plis.

[0032] Les plis, ou en groupes de plis au sein des différents éléments de la structure dudispositif de moulage, à savoir le châssis 10, la plaque supérieure 20, et la plaque inférieure30, sont organisés selon une orientation déterminée. De préférence, les plis, ou groupes deplis, adjacents sont empilés de sorte que leurs fibres respectives soient orientées selon unedirection décalée d’un angle compris entre 0° et 90°. De préférence les fibres des plis, ougroupes de plis, adjacents sont orientées selon une direction perpendiculaire entre elles. Deplus, les inventeurs ont montré que la présence d’une symétrie au niveau de l’orientation desfibres permet d’homogénéiser le coefficient de dilatation sur toute la structure. Par exemple,les plis sont orientés selon une succession d’angles telle que :0/+45/90/90/+45/0/+45/90/90/+45/0/ de façon à créer au sein des différents éléments de lastructure 2 du dispositif de moulage 1 une symétrie qui permet d’équilibrer les propriétésmécaniques ainsi que les CTE. Dans ce cas, il y a trois symétries au sein du drapage dont unesymétrie englobant l’ensemble des plis ou groupe de plis.

[0033] La résine polymère qui imprègne le matériau fibreux permet d’assurer la cohésion dela structure du dispositif de moulage en transmettant les efforts subis par ladite structure au matériau fibreux. Il peut s’agir d’une résine thermoplastique ou thermodurcissable. La résinepolymère peut par exemple être sélectionnée parmi les résines polyester, vinylester, epoxy,phénoliques, les cyanates ester, ou les polyamides.

[0034] La résine polymère sera avantageusement choisie parmi les résines possédant unetempérature de transition vitreuse (Tg) supérieure ou égale à 200°C, et de préférencesupérieure ou égale à 230°C. De préférence, cette ésine polymère sera choisie parmi lesrésines thermodurcissables. De manière davantage préférée, la résine polymère est une résineépoxy. Une telle résine confère à la structure 2 une bonne stabilité thermique, notamment pourdes températures de moulage supérieures ou égales à 200°C.

[0035] Selon un mode de réalisation préféré du dispositif de moulage 1, le châssis 10, laplaque supérieure 20, et la plaque inférieure 30 de la structure 2 sont fabriqués dans le mêmematériau composite. De préférence, ce matériau composite comprend un matériau fibreux enfibres de carbone imprégné d’une résine polymère époxy.

[0036] Le dispositif de moulage 1 selon l’invention présente la particularité de pouvoir êtreutilisé pour la fabrication de pièces de grande dimension. Ainsi, par exemple, le dispositif demoulage 1, comporte une structure 2 dont la dimension la plus grande est au moins égale à unmètre. De façon préférée, le dispositif de moulage 1, comporte une structure 2 dont ladimension la plus grande est au moins égale à deux mètres, de préférence au moins égale à5 mètres et de façon encore plus préférée au moins égale à dix mètres. De même, de façonpréférée, la surface de moulage 21 selon l’invention présente une surface de plus de 1 m2, defaçon plus préférée de plus de 3 m2et de façon encore plus préférée de 5 m2.

[0037] Par ailleurs, la structure du dispositif de moulage est fabriquée à partir d’une surfacethéorique de référence que doit posséder la pièce finale à l’issue du moulage. C’est à partir decette surface théorique de référence que sont déterminées certaines dimensions de la structure2 du dispositif de moulage 1, en particulier la taille et la courbure de la plaque supérieure 20,qui définit la surface de moulage 21 pour le moulage ultérieur de la pièce, et du châssis 10, etdes raidisseurs 11 constitutifs du châssis. Lorsque la pièce moulée est un panneau dematériaux composite pour des applications spatiales par exemple, la surface théorique deréférence peut être trapézoïdale et incurvée, tout comme la surface de la future pièce moulée.

[0038] En ce qui concerne le châssis 10, dont un exemple de réalisation est représenté surla Figure 2, il est fixé à la plaque supérieure 20 et à la plaque inférieure 30, et est formé d’unepluralité de raidisseurs 11. En référence aux Figures 2, 3, 4A, 4B, et 4C, un raidisseur 11 seprésente sous la forme d’une plaque de grande longueur LR par rapport à sa hauteur Hr, et d’épaisseur Er. Il est positionné en appui sur la plaque inférieure 30 par son bord inférieur plan13. Le bord inférieur 13 du raidisseur 11 est délimité latéralement par deux bords latéraux 14,de préférence sensiblement perpendiculaires audit bord inférieur 13, qui sont reliés l’un à l’autrepar le bord supérieur 15. Ce-dernier décrit une courbe, de sorte que l’ensemble des bordssupérieurs des raidisseurs 11 du châssis 10 forme la courbure du châssis.

[0039] Dans le cadre de l’invention, le châssis 10 se présente sous la forme d’une structurecomprenant des motifs 12 qui sont évidés. De préférence, le châssis 10 se présente sous laforme d’une structure dite « isogrid » qui comprend un motif 12 unique, répété sur l’ensembledu châssis. Pour obtenir cette structure, les trois jeux de raidisseurs peuvent par exemple êtreorientés selon des directions à 60°. Selon le mode préféré de réalisation représenté sur laFigure 2, le motif 12 formé par les raidisseurs 11 est un triangle, en particulier un triangleéquilatéral. La structure « isogrid » du châssis 10 est obtenue grâce à trois jeux différents 11 a,11b, 11c de raidisseurs. Chaque jeu de raidisseurs comprend plusieurs raidisseurs disposésselon une orientation déterminée et parallèlement entre eux. Ainsi, le motif 12 triangulaire estformé d’un raidisseur de chaque jeu, de sorte que les trois raidisseurs forment les trois côtésdu triangle.

[0040] La longueur LR et la hauteur HR des raidisseurs 11 au sein de chaque jeu augmented’un raidisseur à son voisin depuis la périphérie jusqu’au centre du châssis 10, afin de formerla courbe du châssis. En fonction de la taille de la pièce finale, la hauteur HR est généralementcomprise entre 5 mm et 300 mm.

[0041] De plus, les raidisseurs 11 comprennent chacun une pluralité d’encoches 16 afind’être enchâssés les uns dans les autres. Le nombre d’encoches 16 sur chaque raidisseur 11dépend non seulement de son emplacement au sein du châssis, mais aussi du nombre deraidisseurs que comporte chaque jeu de raidisseurs. Dans l’exemple représenté sur les Figures2, 4A à 4C, chaque jeu comporte par exemple cinq raidisseurs et chaque raidisseur 11 a à 11 ccomprend alors un nombre d’encoches 16 compris entre trois et cinq selon la position duraidisseur au sein du châssis, c’est-à-dire selon qu’il se trouve à la périphérie ou au centre duchâssis. Chacune de ces encoches permet ainsi d’enchâsser un raidisseur d’un premier jeu àdeux autres raidisseurs de deux autres jeux différents afin de former un point de réunion 17correspondant, dans le cas d’un motif 12 triangulaire, au centre d’une étoile à six branchesformant un des sommets du triangle.

[0042] En référence aux Figures 3, et 4A, 4B et 4C, le raidisseur 11a d’un premier jeu estpositionné en premier sur la plaque inférieure 30 du dispositif de moulage. Dans l’exemplereprésenté sur les Figures 2, 3 et 4A, ce raidisseur 11a comprend cinq encoches 16 au niveaude son bord supérieur 15 et est destiné à être placé au centre du châssis 10 comprenant trois jeux de cinq raidisseurs chacun. Chacune des cinq encoches 16 accueille une des encoches16 du bord inférieur 13 d’un des cinq raidisseurs 11b d’un deuxième jeu. Dans l’exempleschématisé que la Figure 4B, le raidisseur 11b représenté, comprenant cinq encoches 16 surchacun de ses bords inférieur 13 et supérieur 15, est destiné à être placé au centre du châssis.Ainsi, les bords inférieurs 13 des deux premiers jeux de raidisseurs 11a et 11b sont en appuisur la plaque inférieure 30. De manière analogue, le raidisseur 11b possède en outre cinqencoches 16 au niveau de son bord supérieur 15 qui accueillent chacune une des encochesdu bord inférieur 13 d’un des cinq raidisseurs 11c d’un troisième jeu. Dans l’exempleschématisé sur la Figure 4C, le raidisseur 11c représenté, comprenant cinq encoches 16 surson bord inférieur 13, est destiné à être placé au centre du châssis 10. Ainsi, les bords inférieurs13 des trois jeux de raidisseurs 11a, 11 b, et 11 c sont en appui sur la plaque inférieure 30.

[0043] Les dimensions du châssis sont ajustées, telles que la longueur LR et la hauteur HRdes raidisseurs 11, ou la distance entre deux raidisseurs adjacents d’un même jeu, ou encorel’angle formé par deux raidisseurs de jeux différents lorsque le motif le permet, afin que lacourbure du châssis corresponde à la courbure de la plaque supérieure 20 et donc à celle dela pièce destinée à être moulée ultérieurement sur cette plaque supérieure définissant lasurface 21 de moulage. En pratique, les dimensions du châssis 10 sont choisies de façon à ceque la courbure du châssis corresponde à la surface théorique de référence. Cela participe aucoefficient de dilatation homogène sur toute la pièce et donc à favoriser un RMS faible pour lapièce finale.

[0044] En ce qui concerne la plaque supérieure 20, dont un exemple de réalisation estreprésenté sur la Figure 5, elle est ici de forme sensiblement trapézoïdale de manière àcorrespondre à la structure générale d’un panneau en matériau composite par exemple pourdes applications spatiales. Elle repose sur le châssis 10 auquel elle est fixée. Elle estégalement désignée comme la « peau » du dispositif de moulage 1.

[0045] Cette peau 20 définit une surface de moulage 21 courbe sur laquelle la pièce estdestinée à être moulée. C’est sur cette surface que sont donc déposés les composantsnécessaires au moulage de ladite pièce. Ses dimensions et ses propriétés mécaniques doiventdonc être parfaitement maîtrisées, en particulier à des températures élevées, supérieures ouégales à 200 °C.

[0046] L’épaisseur EPS de la plaque supérieure 20 peut être comprise entre 5 mm et 15 mm,de préférence entre 7 mm et 12 mm, et de manière davantage préférée entre 9 et 11 mm.

[0047] En pratique, les dimensions de la plaque supérieure 20, et en particulier celles de lacourbure de la surface de moulage 21, sont choisies de façon à correspondre à la surfacethéorique de référence et, de manière analogue, au châssis 10. Ainsi, la courbure de la surfacemoulage 21 correspond à la courbure du châssis 10.

[0048] En ce qui concerne la plaque inférieure 30, dont un exemple de réalisation estreprésenté sur la Figure 6. Elle peut prendre différentes formes comme par exemple unquadrilatère, et plus particulièrement un trapèze comme dans la figure 6, mais plus largementun polygone, une ellipse comme un disque. Elle soutient le châssis 10 auquel elle est fixée etse compose d’une partie centrale 31 et d’une partie périphérique 32 qui entoure la partiecentrale.

[0049] La partie centrale 31 comprend des ouvertures 33 traversantes situées à l’aplomb desmotifs 12 formés par les raidisseurs 11 du châssis 10, et dont la forme correspond sensiblementauxdits motifs du châssis. Ces ouvertures 33 délimitent des passages 34 sur lesquels reposentles raidisseurs 11. Elles permettent d’alléger la structure 2 du dispositif de moulage 1, sanspour autant en diminuer la stabilité thermomécanique.

[0050] La partie périphérique 32 comprend en outre des poignées 35 consistant en desouvertures traversantes, pour la manutention et le transport du dispositif de moulage 1. Lespoignées 35 permettent également, de manière analogue aux ouvertures 33 de la partiecentrale 31, d’alléger la structure du dispositif de moulage, sans en diminuer la stabilitéthermomécanique.

[0051] L’épaisseur Epi de la plaque inférieure 30 peut être comprise entre 3 mm et 9 mm, etde préférence entre 5 mm et 7 mm.

[0052] La plaque inférieure 30 est essentielle pour la circulation des efforts et la présence detrous permet de réduire le poids mais également l’inertie thermique de la pièce. Ainsi, la plaqueinférieure 30 participe à l’homogénéisation du coefficient de dilatation au sein du dispositif demoulage et à la diminution du RMS de la pièce moulée.

[0053] Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un teldispositif de moulage. Pour cela, les différentes pièces de constitution du dispositif demoulage 1, c’est-à-dire le châssis 10, la plaque supérieure 20 et la plaque inférieure 30 sontréalisées de manière indépendante avant d’être assemblées. Ces pièces sont fabriquées enmatériau composite.

[0054] La pièce, destinée à former le châssis 10, est avantageusement réalisée sous la formed’une plaque en matériau composite dans laquelle les jeux de raidisseurs sont découpés.

[0055] Les différentes plaques sont réalisées par découpage de plis de matériaux fibreux puisdrapage des plis selon une orientation déterminée. De préférence, les plis, ou groupes de plis,adjacents sont empilés de sorte que leurs fibres respectives soient orientées selon unedirection décalée d’un angle compris entre 0° et 90°. De préférence les fibres des plis, ougroupes de plis, adjacents sont orientées selon une direction perpendiculaire entre elles.

[0056] Lors de l’utilisation du dispositif de moulage 1 selon l’invention, le matériau fibreux estsoumis à de très hautes températures, généralement de l’ordre de 200°C. Pour éviter qu’il nese déforme, on choisit, comme décrit précédemment, un matériau fibreux possédant un faiblecoefficient de dilatation (CTE). Mais il faut également s’assurer que ce coefficient de dilatationsoit faible et homogène sur l’ensemble de la structure 2 du dispositif de moulage, et enparticulier sur toute la surface de moulage 21. L’empilement des plis de matériau fibreux estdonc réalisé de manière à parvenir à ce résultat et à obtenir par la suite une pièce finale àhautes performances dont la surface ne possède pas ou peu de défauts, même lorsd’exposition à de fortes températures.

[0057] Dans le cadre de la présente invention, les inventeurs ont montré que la présenced’une symétrie au niveau de l’orientation des fibres participe à l’homogénéité du coefficient dedilatation sur une majorité de la surface de la plaque supérieure 20. De plus, cette plaquesupérieure 20 étant destinée à être usinée après la polymérisation de la résine polymère, laprésence d’au moins une double symétrie permet après polissage de conserver au moins unesymétrie au niveau de l’orientation des fibres dans le produit fini. Ainsi, de préférence, la piècedestinée à former la plaque supérieure 20 est composée d’un empilement de plis de matériaufibreux présentant une double symétrie au niveau des angles formés par les fibres desdits plis,de préférence une double symétrie dont une symétrie englobant l’ensemble des plis ou groupede plis.

[0058] Par exemple, dans le cadre de la réalisation de la plaque supérieur 20 de la figure 5comprenant 16 plis, les plis sont orientés en : 0/+45/90/90/+45/0/+45/90/90/+45/0/+45/90/90/+45/0/ de façon à créer au sein de la plaque supérieure 20 au moins une double symétrie, dont unesymétrie englobant l’ensemble des plis ou groupe de plis.

[0059] Les plis, ou groupes de plis, ainsi empilés sont placés dans un moule, ou un maître(appelé classiquement « master » en anglais), ou encore un marbre, par exemple. On préférerautiliser un maître dans le cas du moulage de la plaque supérieure 20, et un marbre dans le cas du moulage de la plaque inférieure 30 et de la plaque destinée à permettre la réalisation duchâssis 10.

[0060] L’assemblage de plis est ensuite comprimé à basse pression, selon une étape decompactage. La basse pression peut par exemple être comprise entre - 0,75 et - 0,95 bar parrapport à la pression atmosphérique ; De préférence d’environ - 0,9 afin de permettre uncompactage maximal de façon à limiter la porosité et améliorer les performances du moule.Puis de la résine polymère est injectée dans le moule, le maître ou le marbre, pour imprégnerl’assemblage de plis en matériau fibreux. Ainsi, la résine polymère migre dans les tissus pardépression.

[0061] Enfin, une étape de polymérisation de la résine polymère permet ensuite de formerune plaque destinée à former un élément du dispositif de moulage 1.

[0062] De préférence, l’injection de la résine est réalisée selon un procédé d’infusion. Eneffet, le drapage des plis à sec (sans pré imprégnation) accompagné de la mise en place d’unebasse pression et d’une injection de résine polymère à l’état liquide sous basse pressionpermet une migration optimale de la résine polymère dans les plis et participe àl’homogénéisation du coefficient de dilatation sur toute la structure et donc à la diminution duRMS de la pièce moulée.

[0063] Pour la fabrication du châssis 10, la plaque en matériau composite préalablementréalisée est découpée de manière à réaliser les trois jeux de raidisseurs 11. Cette découpe estavantageusement réalisée par des jets d’eau selon cinq axes, pilotés par un système decommande. La découpe aux jets d’eau permet d’obtenir des raidisseurs 11 dont lesdimensions, et en particulier la courbure du bord supérieur 15, sont parfaitement maîtrisées.La courbure du bord supérieur 15 est sensiblement identique à celle de la surface de moulage21 du dispositif de moulage, qui doit être conforme à la surface théorique de référencesouhaitée pour la réalisation de la pièce devant être moulée. Les trois jeux de raidisseurs 11sont ensuite assemblés, par imbrication de leurs encoches, pour former le châssis 10.

[0064] Pour la fabrication de la plaque inférieure 30, la plaque en matériau compositeprécédemment fabriquée est détourée, de manière à ajuster son contour aux dimensionssouhaitées. Les ouvertures 33 et 35 sont également pratiquées, respectivement dans la partiecentrale 31 et la périphérie 32 de la plaque 30, par découpe au jet d’eau.

[0065] Le châssis 10, la plaque supérieure 20, et la plaque inférieure 30 ainsi réalisés sontalors assemblés par collage pour former la structure 2 du dispositif de moulage 1 selonl’invention. La colle est choisie de manière à assurer une stabilité optimale de la structure àdes températures élevées, en particulier à des températures supérieures ou égales à 200 °C.

Dans un exemple de réalisation, la colle est choisie parmi les résines polymères dont latempérature de transition vitreuse (Tg) est supérieure ou égale à 200°C, de préférencesupérieure ou égale à 230°C. De préférence, elle est choisie parmi les résines polymèresthermodurcissables. De manière davantage préférée, la colle est une résine époxy.

[0066] Postérieurement à l’étape d’assemblage des pièces, la plaque supérieure 20 estusinée. Il s’agit d’une part de détourer la plaque supérieure 20 de manière à ajuster son contouraux dimensions souhaitées, c’est-à-dire à la surface théorique de référence, et d’autre partd’usiner la surface de moulage 21 pour éliminer les défauts de surface et éviter ainsi qu’ils serépercutent sur la pièce ultérieurement obtenue par moulage sur cette surface. En pratique,l’usinage est réalisé de sorte que les dimensions de la plaque supérieure 20, et en particulierde la surface de moulage 21 correspondent à celles de la surface théorique de référence.

[0067] Lors de cette étape, une des symétries d’orientation des fibres des plis de matériaufibreux composant la plaque supérieure est supprimée. Néanmoins, étant donné que cettesurface comprend lors de sa création au moins une double symétrie d’orientation des plis, aumoins une symétrie d’orientation des plis de matériau fibreux est conservée. Ainsi, de façonpréférée, l’usinage est réalisé de façon à conserver au sein de la plaque supérieure 20 aumoins une symétrie au niveau de l’orientation des fibres.

[0068] Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une piècemoulée en matériau composite comprenant la mise en œuvre du dispositif de moulageselon l’invention.

[0069] Le procédé de fabrication comprend notamment une étape de drapage de couchesde matériau fibreux sur la surface de moulage 21. Le matériau fibreux étant pré imprégné ounon.

[0070] Le procédé de fabrication peut également comprendre une étape d’infusion. Cetteétape d’infusion correspondant à l’injection, au niveau des couches matériau fibreux, de résinepolymère à l’état liquide, de préférence sous basse pression pour une migration optimale de larésine polymère dans les plis.

[0071] De préférence, le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite selonl’invention comprend une étape de polymérisation, ou rigidification de la pièce, réalisée à unetempérature supérieure ou égale à 200°C.

[0072] Le procédé de fabrication comprend également une étape de démoulageaccompagnée si nécessaire d’une étape d’ébavurage ou de nettoyage.

Ref : 0482-NIM06 [0073] Le dispositif de moulage selon l’invention présente une surface de moulage dont lagéométrie est stable sur une très large gamme de température permettant de limiter lanécessité d’une étape d’usinage de la pièce ainsi moulée.

[0074] L’écart, ou déviation de forme, qui existe entre la surface de moulage 21 obtenue parle procédé de fabrication précédent et la surface de référence est évalué par la mesure del’écart quadratique moyen, de l’anglais « Root Mean Square Déviation » (RMSD, ou plussimplement RMS) entre les données de structure 3D de la pièce théorique et les données destructure 3D de la pièce moulée telles que mesurées par exemple par technologie laser-scanner. Plus le RMS est faible, moins il y a de déviations de la forme de la surface de moulagepar rapport à la surface théorique de référence, et moins il y a de défauts sur la pièce finale,obtenu après moulage. Le RMS est en pratique mesuré à température ambiante, soit 20°C,puis à haute température, par exemple à 180°C et/ou à 200 °C, afin d’évaluer la stabilité de lastructure à haute température.

[0075] Le dispositif de moulage 1 selon l’invention permet d’obtenir un RMS à 180°C inférieurà 0,10 mm, ce qui indique que la structure 2 du dispositif de moulage 1 est stable à hautetempérature et permet d’obtenir, après moulage, une pièce, et ultérieurement une structure parassemblage de telles pièces, à hautes performances avec un nombre de défauts minime. Celaest notamment détaillé dans le tableau 1 ci-dessous :

Tableau 1 : Performance en RMS des moules selon l’invention [0076] Les pièces moulées grâce au dispositif de moulage selon l’invention peuvent trouverdes applications dans des domaines tels que l’aéronautique, le spatial, l’automobile, leferroviaire, l’éolien, le photovoltaïque, le nautisme, le domaine militaire, le bâtiment, ou encorele génie civil. Ainsi, l’invention s’applique tout particulièrement, mais non exclusivement, à laréalisation de coques comme des coques de bateaux, de panneaux y compris des panneauxde fuselage ou d’empennage, d’ailes d’avions, de caisses automobiles, de réflecteursd’antennes, en particulier des réflecteurs d’antennes satellites paraboliques ou encore de palesd’éolienne. De telles pièces sont généralement de grande dimension et nécessitent d’êtremoulées à des températures élevées, généralement de l’ordre de 200°C.

Claims (2)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de moulage (1) pour la réalisation de pièces en matériau composite, caractériséen ce qu’il comprend une structure (2) en matériau composite comportant un matériau fibreuximprégné d’au moins une résine polymère, ladite structure comportant un châssis (10) forméde raidisseurs (11), une plaque supérieure (20) en appui sur le châssis (10) et formant unesurface de moulage (21), et une plaque inférieure (30) soutenant le châssis (10), caractériséen ce que le châssis (10) est formé de trois jeux de raidisseurs différents (11a, 11b, 11c) quisont assemblés les uns par rapport aux autres de manière à former un motif (12) unique qui serépète sur l’ensemble de la structure du châssis (10), ledit motif (12) unique étant un triangleéquilatéral. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine polymère imprégnantledit matériau fibreux est une résine polymère dont la température de transition vitreuse (Tg)comprise entre 50°C et 400 °C, de préférence entre 80°C et 300 °C. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau fibreux deconstitution du matériau composite se présente sous la forme de plis, ou groupes de plis,empilés les uns sur les autres, et orientés les uns par rapport aux autres de manière à ce quela direction des fibres de deux plis, ou groupes de plis, adjacents soit décalée d’un anglecompris entre 0° et 90° et de manière à ce que les angles de l’ensemble des fibres des plis, ougroupes de plis, forment au moins une symétrie. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque inférieure (30) comprendune partie centrale (31) munie d’ouvertures (33) traversantes, situées à l’aplomb des motifs(12) formés par les raidisseurs (11) du châssis (10) et dont la forme correspond sensiblementauxdits motifs (12) du châssis (10), et une partie périphérique (32), qui entoure la partie centrale(31), munie d’ouvertures traversantes (35) formant des poignées. 5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaquesupérieure (20) en appui sur le châssis (10), formant une surface de moulage (2), est apte àprésenter, à 200°C, une modification de la surface totale de la structure de moins de 5 % parrapport à la surface totale de la structure à 20°C. 6. Procédé de fabrication d’un dispositif de moulage selon l’une des revendications 1 à 5,caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : - fabriquer des pièces, constitutives dudit dispositif, en matériau composite, lesditespièces comprenant une plaque supérieure (20), une plaque inférieure (30), et unetroisième plaque destinée à être découpée en jeux de raidisseurs (11), - découper ladite troisième plaque de façon à former trois jeux de raidisseurs (11a, 11b,11c), - assembler lesjeux de raidisseurs (11a, 11b, 11c) entre eux pour former un châssis (10), - assembler le châssis (10) préalablement assemblé, aux plaques supérieure (20) etinférieure (30), de sorte que la plaque supérieure (20) soit en appui sur le châssis (10)et forme une surface de moulage (21), et que la plaque inférieure (30) soutienne lechâssis (10).
2. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fabrication de la plaquesupérieure (20) en matériau composite comprend le drapage de plis, ou groupe de plis, dematériau fibreux de manière telle que les fibres de deux plis, ou groupes de plis, adjacents sontorientées selon une direction décalée d’un angle compris entre 0° et 90° et de manière à ceque les angles de l’ensemble des fibres des plis, ou groupes de plis, forment au moins unedouble symétrie. 8. Procédé selon les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, postérieurement àl’assemblage du châssis (10) avec les plaques inférieure (30) et supérieure (20), une étapesupplémentaire consiste à détourer la plaque supérieure (20) et à usiner sa surface de moulage(21). 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les trois jeux de raidisseurs (11a,11b, 11c) sont découpés dans la troisième plaque par jets d’eau. 10. Procédé de fabrication d’une pièce moulée en matériau composite comprenant la mise enœuvre du dispositif de moulage selon l’une des revendications 1 à 5.