FR3057199A1 - Procede de fabrication d'un materiau composite integrant deux conducteurs electriquement connectes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau composite (20) intégrant deux éléments conducteurs (23-24) électriquement connectés, le procédé comportant les étapes suivantes : - intégration d'un premier élément conducteur (23) dans un renfort fibreux, - positionnement d'un pion non-miscible avec ledit matériau composite (20), une première extrémité dudit pion étant positionnée au contact dudit premier élément conducteur (23) et une seconde extrémité dudit pion (25) débouchant sur un bord (29) dudit renfort fibreux (22), - mise en forme dudit matériau composite (20) par solidification d'un matériau polymère (21) dans ledit renfort fibreux (22), - extraction d'au moins une partie dudit pion (25), - positionnement (54) d'un second élément conducteur (24) à la place de l'au moins une partie dudit pion (25), et - réalisation d'une connexion électrique entre lesdits premier et second éléments conducteurs (23-24) à l'intérieur dudit matériau composite (20).
Description
Domaine Technique
L’invention concerne le domaine des matériaux composites à conducteur intégré pour la transmission du courant électrique. L’invention concerne plus particulièrement les matériaux composites intégrant deux conducteurs électriquement connectés, par exemple un connecteur connecté à un fil conducteur intégré dans un matériau composite.
L’utilisation des composites est notamment recherchée dans le domaine des transports dans un but d’allègement en vue de réduire les consommations en carburant. L’intégration des conducteurs dans le composite améliore la modularité des systèmes réalisés en composite.
Art ANTERIEUR
L’augmentation de la sécurité et des prestations multimédias a considérablement augmenté le nombre de conducteurs à bord des aéronefs ou des véhicules automobiles. Par exemple, l’aéronef A380® de la société Airbus® intègre 530 km de fils conducteurs électriques. Pour limiter l’encombrement de ces conducteurs, il est connu d’intégrer au moins une partie de ces conducteurs directement dans les matériaux composites constitutifs de l’aéronef.
Une connexion entre deux conducteurs peut être effectuée, de manière classique, en dehors du matériau composite. En outre, pour limiter encore l’encombrement, il est avantageux de réaliser certaines connexions entre deux conducteurs directement dans le matériau composite. Cette connexion électrique peut permettre de positionner un connecteur sur un bord du matériau composite de sorte à reprendre un contact électrique avec un ou plusieurs conducteurs intégrés dans le matériau composite.
La demande de brevet américain N° US 2002/0168184 divulgue une première méthode pour réaliser cette connexion électrique entre deux conducteurs. Dans une première étape, le matériau composite est mis en forme de sorte à intégrer un premier conducteur. Un perçage est ensuite effectué sur un bord du matériau composite solidifié jusqu’à atteindre le premier conducteur présent au cœur du matériau composite. Ce perçage permet de former un trou borgne s’étendant depuis le bord du matériau composite jusqu’au premier conducteur. Un second conducteur est positionné dans ce trou borgne et soudé sur le premier conducteur.
Cependant, il existe un risque élevé de détérioration du premier conducteur lors du perçage du matériau composite jusqu’au premier conducteur. En outre, le perçage engendre une faiblesse du matériau composite au niveau du trou borgne propice à des départs de fissures lors de l’utilisation du matériau composite.
La demande de brevet américain N° US 2011/0120748 divulgue une seconde méthode dans laquelle une connexion électrique est réalisée entre un conducteur, intégré dans le matériau composite, et un connecteur débouchant sur un bord du matériau composite. Le fil conducteur et le connecteur sont soudés entre eux avant la mise en forme du matériau composite.
Cependant, la mise en forme du matériau composite ne peut pas être réalisée par pressage au risque de détériorer le connecteur. Ainsi, cette demande de brevet propose d’utiliser une méthode de réticulation sous vide pour mettre en forme le matériau composite. Ce procédé est particulièrement complexe à mettre en œuvre, augmentant ainsi le temps et le coût de production des pièces.
Le brevet américain N° US 5,344,696 divulgue une autre méthode dans laquelle la connexion entre les conducteurs est réalisée avant la mise en forme du matériau composite. Pour ce faire, les deux conducteurs sont soudés entre eux et disposés entre deux couches d’un renfort fibreux. La mise en forme du matériau composite est ensuite réalisée par laminage.
Cependant, cette méthode présente un risque de détérioration de la connexion électrique entre les deux conducteurs lors de l’étape de laminage.
Le problème technique de l’invention consiste donc à trouver comment intégrer deux éléments conducteurs électriquement connectés dans un matériau composite sans dégrader fortement la tenue mécanique du matériau composite et sans être contraint par le procédé de mise en forme du matériau composite.
Pour répondre à ce problème technique, l’homme du métier pourrait utiliser un moule spécifique avec une dent destinée à former un trou borgne dans le matériau composite lors de la mise en forme de sorte à atteindre un conducteur intégré dans le matériau composite. Cette solution nécessite un moule spécifique et risque de détériorer le conducteur intégré dans le matériau composite lors de la mise en forme.
Une autre solution envisageable serait d’utiliser un procédé d’imprégnation sous vide car il est connu de créer une poche d’air de sorte à limiter localement l’imprégnation de la préforme fibreuse. Cette technique est, cependant, très complexe à mettre en œuvre et difficilement maîtrisable.
Expose de l’invention
La présente invention vise à répondre à ce problème technique au moyen d’un pion non-miscible avec le matériau composite. Le pion est positionné dans les fibres du renfort fibreux en contact avec un élément conducteur et extrait, au moins en partie, après la mise en forme du matériau composite de sorte à créer un trou borgne débouchant sur l’élément conducteur. Un second élément conducteur est alors inséré par le trou borgne et connecté avec le premier élément conducteur.
A cet effet, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un matériau composite intégrant deux éléments conducteurs électriquement connectés, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- intégration d’un premier élément conducteur dans un renfort fibreux destiné à former ledit matériau composite,
- positionnement d’un pion non-miscible avec ledit matériau composite, une première extrémité dudit pion étant positionnée au contact dudit premier élément conducteur et une seconde extrémité dudit pion, opposée à ladite première extrémité dudit pion, débouchant sur un bord dudit renfort fibreux,
- mise en forme dudit matériau composite par solidification d’un matériau polymère dans ledit renfort fibreux,
- extraction d’au moins une partie dudit pion,
- positionnement d’un second élément conducteur à la place de l’au moins une partie dudit pion de sorte que ledit second élément conducteur s’étende depuis ledit bord dudit renfort fibreux jusqu’au premier élément conducteur, et
- réalisation d’une connexion électrique entre lesdits premier et second éléments conducteurs à l’intérieur dudit matériau composite.
L’invention permet ainsi de fabriquer un matériau composite intégrant une connexion électrique entre deux conducteurs indépendamment du procédé de mise en forme du matériau composite. En outre, l’invention permet de limiter la dégradation de la tenue mécanique du matériau composite car l’usinage du matériau composite n’est plus requis. Le pion est un élément modulable en fonction de l’application et il permet de d’aménager un accès vers un ou plusieurs conducteurs intégrés dans le matériau composite.
Selon un mode de réalisation, ladite première extrémité présente une forme saillante, l’étape de positionnement dudit pion étant réalisée en insérant ladite forme saillante entre deux fibres dudit renfort fibreux et en écartant lesdites fibres à mesure que ledit pion est inséré dans ledit renfort fibreux. Ce mode de réalisation permet d’augmenter le nombre de fibres du renfort fibreux autour du trou borgne en déplaçant les fibres à la périphérie du trou borgne. Ainsi, la résistance mécanique du matériau composite est augmentée autour du trou borgne.
Selon un mode de réalisation, ladite première extrémité présente deux formes saillantes disposées en regard l’une par rapport à l’autre et configurées pour s’étendre de part et d’autre dudit premier élément conducteur lorsque ledit pion est positionné au contact dudit premier élément conducteur. Ce mode de réalisation permet d’enserrer le premier conducteur par le pion de sorte à garantir un espacement suffisant autour du premier conducteur pour réaliser la connexion électrique entre les deux conducteurs.
Selon un mode de réalisation, ledit pion présente une structure tronconique entre lesdites deux extrémités. Ce mode de réalisation permet de faciliter l’insertion du pion dans la préforme fibreuse. Avantageusement, ladite partie dudit pion correspond à un insert conique disposé dans ladite structure tronconique.
Selon un mode de réalisation, ledit pion présente une face structurée destinée à venir au contact dudit matériau composite de sorte à maintenir ledit pion dans ledit matériau composite après l’étape d’extraction d’au moins une partie dudit pion. Ce mode de réalisation vise à garantir le maintien d’une partie du pion dans le matériau composite. Avantageusement, ladite face structurée présente des rugosités et/ou des rainures.
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comporte également une étape de surmoulage dudit bord de sorte à contenir ledit pion et ledit second élément conducteur dans ledit matériau composite. Ce mode de réalisation vise également à garantir le maintien d’une partie du pion dans le matériau composite.
Selon un mode de réalisation, ledit pion présente une structure parallélépipédique, l’étape de positionnement dudit pion comportant une étape de découpage d’au moins une fibre dudit renfort fibreux de sorte à aménager un emplacement pour ladite structure parallélépipédique dudit pion. Dans ce mode de réalisation, le pion prend la forme d’un capuchon positionné au-dessus du premier conducteur et extrait après la mise en forme. Avantageusement, ledit pion est réalisé par dépôt d’un polymère sous forme de filaments.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 9 représentent :
- Figure 1 : un organigramme illustrant un procédé de réalisation d’un matériau composite selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- Figure 2 : une représentation schématique en coupe de l’étape de mise en forme du matériau composite de la figure 1 ;
- Figure 3 : une représentation schématique en coupe de l’étape de positionnement d’un second conducteur de la figure 1 ;
- Figure 4 : une représentation schématique en coupe de l’étape de réalisation d’une connexion entre deux conducteurs de la figure 1 ;
- Figure 5 : une représentation schématique en coupe de l’étape de remplissage du trou borgne de la figure 1 ;
- Figure 6 : une représentation schématique en coupe d’un pion selon un second mode de réalisation de l’invention ;
- Figure 7 : une représentation schématique en coupe d’un pion selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
- Figure 8 : une représentation schématique en coupe du pion de la figure 7 lorsqu’il coopère avec un fil conducteur ; et
- Figure 9 : une représentation schématique en coupe d’un pion selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
Description detaillee de l’invention
La figure 1 illustre un mode de réalisation de l’invention dans lequel le procédé comporte une première étape 50 consistant à intégrer un premier conducteur 23 dans un renfort fibreux 22 destiné à former un matériau composite 20. On entend par « matériau composite », un matériau composé d’une matrice organique 21 et de renforts fibreux 22. La matrice 21 est, par exemple, réalisée en polymère thermoplastique ou thermodurcissable. Elle peut également contenir des éléments supplémentaires (poudres ou charges) jouant un rôle d’évacuation de la chaleur.
Les renforts fibreux 22 peuvent être sous forme de laminés, de plis ou de fibres. De façon générale, ils sont soit bidimensionnels ou tridimensionnels, sous formes de tissage, tressage, piquage, non-tissés, ou tricotage. Dans le cas de renfort fibreux 22 tridimensionnel, le premier conducteur 23 est intégré soit suivant le fils de liage reliant les différentes couches superposées, ou soit dans l’entrelacement de l’épaisseur entre ces couches. Les renforts fibreux 22 tridimensionnels comprennent les structures interlocks ou NCF (Non Crimped Fabric), laminé cousus, structure sandwich, ou nid d’abeille. Les fibres des renforts fibreux 22 sont soit courtes, longues, ou continues, soit naturelles ou synthétiques, par exemple des fibres de carbone, de verre, d’aramide, de basalte...
L’intégration du premier conducteur 23 dans le matériau composite 20, permet une réduction du volume de la structure car la gaine et/ou le film entourant le fil conducteur 23 peut être supprimé. La disparition de la gaine survient dans le cas d’emploi de renforts fibreux 22 isolants, voir semi-conducteurs, possédant une résistivité supérieure à lQ.m. Par exemple, on peut citer les fils de verre, d’aramide, de basalte, de polymère, ainsi que les fibres combinant plusieurs des matériaux cités en amont.
Du point de vue mécanique, la mise en place du premier conducteur 23 dans le matériau composite 20 peut localement engendrer une problématique de concentrations de contraintes en déplaçant ponctuellement le renfort fibreux 22. Dans le volume adjacent au premier conducteur 23, le matériau composite 20 peut être plus fragile lors de sollicitations externes, et être moins résistant mécaniquement lors d’impacts externes. Cette fragilité mécanique peut être palliée, en particulier, par les solutions différentes décrites ci-après et qui peuvent être combinées.
Une première solution consiste à faire subir au conducteur 23 un traitement physique par la formation de rugosité ou l’application de fonctions chimiques. Pour ce faire, le conducteur 23 subit un traitement de surface dans le but d’assurer une meilleure interface avec la matrice 21 du matériau composite 20, et par conséquence une plus grande résistance mécanique. De préférence, les traitements physiques et/ou chimiques sont une ou la combinaison des techniques suivantes : plasma, corona, laser, chimique, sol-gel, polymérisation en surface, électrochimie, ensimage, PVD, CVD, traitement thermique, (valable dans la plupart des cas pour la fibre de verre et d’aramide), galvanisation, galvanoplastie, étamage, peinture, électrophorèse, céramique.
Une seconde solution consiste à diminuer le volume occupé par le conducteur 23, soit en réduisant la taille du conducteur 23, soit en utilisant plusieurs brins de fils juxtaposés et en contact électrique pour former le fil conducteur 23. Une troisième solution consiste à faire varier la section d’un fil conducteur 23 monobrin pour garantir un meilleur ancrage lors de sollicitations du matériau composite 20. Une dernière solution consiste à placer plusieurs fils conducteurs 23, entre ou dans les plis, sur plusieurs lignes.
En variante, l’intégration du conducteur 23 peut être réalisée par toutes les méthodes connues sans changer l’invention.
Avant de mettre en forme le matériau composite 20 intégrant le premier conducteur 23, le procédé comporte une étape 51 consistant à positionner un pion 25 nonmiscible avec le matériau composite 20.
On entend par pion « non-miscible », un pion 25 dont le matériau est inapte à former une phase unique avec le matériau composite 20 lors de la mise en forme du matériau composite 20.
Ce pion 25 est disposé au contact du premier conducteur 23 et s’étend jusqu’à un bord 29 du matériau composite 20. La figure 2 illustre un exemple de pion 25 de forme parallélépipédique 36 disposé au contact d’un fil conducteur 23. Une extrémité inférieure 26 du pion 25 entoure le fil conducteur 23 sur la moitié de sa périphérie et une extrémité supérieure 27 s’étend au niveau d’un bord supérieur 29 du matériau composite 20. Tel que décrit en référence avec les figures 6 à 8, le pion 25 peut prendre plusieurs formes sans changer l’invention. En outre, le pion 25 peut être positionné sur des renforts fibreux 22 secs ou pré-imprégnés.
Lorsque le pion 25 est positionné, le procédé comporte une étape 52 consistant à mettre en forme le matériau composite 20. Tel qu’illustré sur la figure 2, cette mise en forme peut être réalisée en réticulant une matrice ou une résine 21 pénétrant dans les fibres du renfort fibreux 22. La mise en forme du matériau composite 20 peut être réalisée par toutes les techniques connues. Ainsi, les techniques de pressages peuvent être mises en œuvre sans dégrader le conducteur 23 car le pion peut être conformé pour absorber les contraintes de pressage sur le conducteur 23. Pour ce faire, le pion 25 peut être réalisé en élastomère.
Lors de la mise en forme du matériau composite 20, le pion 25 limite l’imprégnation du polymère sur une portion du conducteur 23 s’étendant jusqu’au bord 29 du matériau composite 20. Ainsi, après la mise en forme du matériau composite 20, dans l’étape 53, tout ou partie du pion 25 peut être extrait afin d’accéder au conducteur 23 depuis le bord 29 du matériau composite 20 sans requérir à un usinage du matériau composite 20. Dans l’exemple de la figure 3, l’intégralité du pion 25 est extrait, formant ainsi un trou borgne 40 s’étendant depuis le bord 29 jusqu’au premier conducteur 23.
Dans l’étape 54, un second conducteur 24 est disposé dans le trou borgne 40 au contact du premier conducteur 23. L’étape suivante 55 consiste à réaliser une connexion électrique 41 entre les deux conducteurs 23, 24. Par exemple, tel qu’illustré sur la figure 4, une soudure ou un brasage peuvent être mis en œuvre de sorte à former une connexion électrique 41 entre les deux conducteurs 23, 24. Un liant ou une pâte de brassage peuvent être utilisé pour faciliter cette étape de réalisation d’une connexion.
Tel qu’illustré à l’étape 56 et sur la figure 5, lorsque les deux conducteurs 23, 24 sont connectés électriquement, l’espace entre le second connecteur 24 et les bords internes du trou borgne 40 peut être comblé par l’injection d’un matériau de comblement 42, par exemple une colle.
La figure 6 illustre une variante de l’invention dans laquelle le pion 25 intègre deux formes saillantes 31 disposées en regard l’une par rapport à l’autre au niveau de l’extrémité 26 destinée à venir enserrer le premier conducteur 23. Chaque forme saillante 31 se présente sous la forme d’une pointe et vise à améliorer l’insertion du pion 25 dans les fibres du renfort fibreux 22.
Outre la forme parallélépipédique 36 des pions 25 des figures 2 à 6, les figures 7 à 9 illustrent des modes de réalisation dans lesquels les pions 25 présentent une structure tronconique 32. Dans le mode de réalisation, le pion 25 présente une base supérieure 33 dont les dimensions sont supérieures à celles de la base inférieure 34 de sorte à faciliter l’insertion du pion 25 dans les fibres du renfort fibreux 22. L’extrémité inférieure du pion 25 est pourvue d’une fente 43. Tel qu’illustré sur la figure 8, cette fente 43 vise à ouvrir la base inférieur 34 lorsque le pion 25 est déplacé contre le premier conducteur 23 de sorte à étendre le pion 25 de chaque côté du premier conducteur 23.
Le pion 25 de la figure 7 comporte également un insert conique 35 amovible présent à l’intérieur de la structure tronconique 32. Ainsi, tel qu’illustré sur la figure 8, lorsque le pion 25 est disposé sur le conducteur 23, l’insert conique 35 peut être extrait de la structure tronconique 32 et sorte à former un trou borgne 40 sans extraire l’intégralité du pion 25. La fraction restante du pion 25 peut ainsi contribuer à la rigidité mécanique du matériau composite 20.
ίο
Selon une autre variante illustrée sur la figure 9, la structure tronconique 32 présente une paroi externe structurée 37 de sorte à améliorer l’adhésion de la partie restante du pion 25 dans le matériau composite 20. La face structurée 37 de la figure 9 présente une rainure 45 faisant saillie de la face structurée 37. En variante, des rugosités peuvent être mises en œuvre pour garantir l’adhésion de la partie restante du pion 25.
Selon une autre variante, le pion non-miscible 25 peut être associé à un pion miscible utilisé pour positionner le premier conducteur 23.
L’invention permet ainsi de réaliser un matériau composite 20 en intégrant deux conducteurs 23-24, électriquement connectés. La nature et la forme des conducteurs 2324 peuvent varier et la mise en forme du matériau composite 20 peut être réalisée par toutes les méthodes connues. En outre, le procédé de l’invention permet d’améliorer la résistance du matériau composite 20 par rapport aux matériaux de l’art antérieur intégrant deux conducteurs électriquement connectés.
U
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d’un matériau composite (20) intégrant deux éléments conducteurs (23-24) électriquement connectés, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes :- intégration (50) d’un premier élément conducteur (23) dans un renfort fibreux (22) destiné à former ledit matériau composite (20),- positionnement (51) d’un pion non-miscible (25) avec ledit matériau composite (20), une première extrémité (26) dudit pion (25) étant positionnée au contact dudit premier élément conducteur (23) et une seconde extrémité (27) dudit pion (25), opposée à ladite première extrémité (26) dudit pion, débouchant sur un bord (29) dudit renfort fibreux (22),- mise en forme (52) dudit matériau composite (20) par solidification d’un matériau polymère (21) dans ledit renfort fibreux (22),- extraction (53) d’au moins une partie dudit pion (25),- positionnement (54) d’un second élément conducteur (24) à la place de l’au moins une partie dudit pion (25) de sorte que ledit second élément conducteur (24) s’étende depuis ledit bord (29) dudit renfort fibreux (22) jusqu’au premier élément conducteur (23), et- réalisation (55) d’une connexion électrique entre lesdits premier et second éléments conducteurs (23-24) à l’intérieur dudit matériau composite (20).
- 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel ladite première extrémité (26) présente une forme saillante (31), l’étape de positionnement (51) dudit pion (25) étant réalisée en insérant ladite forme saillante (31) entre deux fibres dudit renfort fibreux (22) et en écartant lesdites fibres à mesure que ledit pion (25) est inséré dans ledit renfort fibreux (22).
- 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel ladite première extrémité (26) présente deux formes saillantes (31) disposées en regard l’une par rapport à l’autre et configurées pour s’étendre de part et d’autre dudit premier élément conducteur (23) lorsque ledit pion (25) est positionné au contact dudit premier élément conducteur (23).
- 4. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit pion (25) présente une structure tronconique (32) entre lesdites deux extrémités (26, 27).
- 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel ladite partie dudit pion (25) correspond à un insert conique (35) disposé dans ladite structure tronconique (32).
- 6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit pion (25) présente une face structurée (37) destinée à venir au contact dudit matériau composite (20) de sorte à maintenir ledit pion (25) dans ledit matériau composite (20) après l’étape d’extraction (53) d’au moins une partie dudit pion (25).
- 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel ladite face structurée (37) présente des rugosités et/ou des rainures.
- 8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit procédé comporte également une étape de surmoulage dudit bord (29) de sorte à contenir ledit pion (25) et ledit second élément conducteur (24) dans ledit matériau composite (20).
- 9. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit pion (25) présente une structure parallélépipédique (36), l’étape de positionnement (51) dudit pion (25) comportant une étape de découpage d’au moins une fibre dudit renfort fibreux (22) de sorte à aménager un emplacement pour ladite structure parallélépipédique (36) dudit pion (25).
- 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel ledit pion (25) est réalisé par dépôt d’un polymère sous forme de filaments.1/4
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