FR3064523A1 - Procede de realisation de pieces en materiau composite a partir de preformes aiguilletees - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de réalisation de pièces en matériau composite comprenant des fibres continues et une matrice formée d'au moins un premier polymère, ledit procédé comprenant - une étape de réalisation d'une préforme (101), formée à partir de fibres continues et du premier polymère, - une étape d'application de filaments non tissés sur au moins une première face principale (111) de la préforme, - une étape d'aiguilletage desdits filaments au moyen d'un dispositif d'aiguilletage (5) comprenant une pluralité d'aiguilles (51), chacune munie d'au moins une encoche, de sorte que des filaments soient entraînés par les aiguilles et disposés dans une direction sensiblement perpendiculaire aux fibres continues de la préforme, et - une étape de traitement thermique de la préforme pour former la pièce en matériau composite.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national
064 523
70331
COURBEVOIE
©) Int Cl8 : B 29 C 70/22 (2017.01), B 29 C 70/30, 70/46, B 29 B 11/16, D 04 H 1/46, 5/02
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 03.04.17. | ©) Demandeur(s) : CORIOLIS COMPOSITES Société par |
| (30) Priorité : | actions simplifiée — FR. |
| ©) Inventeur(s) : HAMLYN ALEXANDER et JOB | |
| SOPHIE. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 05.10.18 Bulletin 18/40. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ©) Titulaire(s) : CORIOLIS COMPOSITES Société par |
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| ©) Demande(s) d’extension : | @) Mandataire(s) : CORIOLIS GROUP. |
PARTIR DE
PREFORMES
104) PROCEDE DE REALISATION DE PIECES EN MATERIAU COMPOSITE A AIGUILLETEES.
FR 3 064 523 - A1
La présente invention concerne un procédé de réalisation de pièces en matériau composite comprenant des fibres continues et une matrice formée d'au moins un premier polymère, ledit procédé comprenant
- une étape de réalisation d'une préforme (101), formée à partir de fibres continues et du premier polymère,
- une étape d'application de filaments non tissés sur au moins une première face principale (111) de la préforme,
- une étape d'aiguilletage desdits filaments au moyen d'un dispositif d'aiguilletage (5) comprenant une pluralité d'aiguilles (51 ), chacune munie d'au moins une encoche, de sorte que des filaments soient entraînés par les aiguilles et disposés dans une direction sensiblement perpendiculaire aux fibres continues de la préforme, et
- une étape de traitement thermique de la préforme pour former la pièce en matériau composite.
i
La présente invention concerne un procédé de réalisation de pièces en matériau composite.
Il est connu des procédés de réalisation de pièces en matériau composite comprenant des fibres continues et une matrice polymère, ledit procédé comprenant une étape de réalisation d’une préforme formée à partir de fibres continues unidirectionnelles et d’un polymère destiné à former la matrice, et une étape de traitement thermique de la préforme pour former la pièce en matériau composite.
Afin d’automatiser les opérations et limiter le taux de chute, la préforme peut être réalisée par drapage automatique de fibres continues unidirectionnelles munies dudit polymère, les préformes résultantes comprenant plusieurs plis superposés de fibres continues unidirectionnelles. Les fibres peuvent par exemple être appliquées au contact, au moyen d’un rouleau, par un procédé de placement de fibres, chaque pli étant formé par drapage sur un moule d’une ou plusieurs bandes jointives, chacune formée d’une ou plusieurs fibres plates, de type ruban, telles que des fibres de carbone constituées d’une multitude de fils ou filaments de carbone. Lors du drapage, le polymère est chauffé afin de le ramollir ou le fondre, et ainsi garantir la liaison des plis.
Le polymère est présent en quantité suffisante pour former la matrice lors du traitement thermique, la préforme comprenant au moins 30% en poids de polymère. Dans le cas d’un polymère thermodurcissable, le traitement thermique consiste en une opération de cuisson ou durcissement du polymère. Dans le cas d’un polymère thermoplastique, le traitement thermique consiste en une opération de consolidation du polymère.
Pour augmenter les cadences de production de pièces composites tridimensionnelles, les préformes peuvent être drapées sensiblement à plat, ou dans une forme intermédiaire permettant des cadences élevées, les préformes étant ensuite thermoformées à la forme finale souhaitée.
Cette opération de thermoformage nécessite un chauffage important de la préforme afin de ramollir ou fondre l’ensemble du polymère, cette opération de montée en température réduisant considérablement le temps de cycle du formage.
Par ailleurs, lors du formage, plusieurs mécanismes de déformation ou déplacement interviennent, notamment des mécanismes de friction inter-plis, des mécanismes de cisaillement intra-pli, et des mécanismes de flexion. Suivant la forme de la préforme finale, notamment en cas de préforme de forme complexe, par exemple à double courbure, les fibres ont tendance à se plisser.
Par ailleurs, il a été proposé dans la demande de brevet FR 16 70556, déposée par la Demanderesse le 27 septembre 2016, et intitulée « Procédé de réalisation de pièces en matériau composite par imprégnation d’une préforme particulière », un procédé de réalisation de pièces en matériau composite comprenant une étape de réalisation d’une préforme sèche initiale, formée à partir de fibres sèches continues unidirectionnelles munies d’une faible quantité de liant, généralement inférieure à 5 %, permettant de maintenir la cohésion de la préforme, une étape d’application de filaments non tissés sur une première face principale de la préforme sèche, et une étape d’aiguilletage desdits filaments au moyen d’un dispositif d’aiguilletage. Ce procédé permet de proposer de nouvelles préformes sèches présentant une excellente cohésion pour leur traitement ultérieur, et une excellente perméabilité. La préforme sèche doit cependant par la suite être soumise à une opération d’imprégnation afin d’ajouter le polymère pour constituer la matrice de la pièce composite finale.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces en matériau composite visant à pallier au moins l’un des inconvénients précités.
A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation de pièces en matériau composite comprenant des fibres continues et une matrice formée d’au moins un premier polymère, ledit procédé comprenant une étape de réalisation d’une préforme, formée à partir de fibres continues, de préférence unidirectionnelles, et du premier polymère, et une étape de traitement thermique de la préforme pour former la pièce en matériau composite, caractérisé en ce qu’il comprend en outre, préalablement à l’étape de traitement thermique, une étape d’application de filaments non tissés sur au moins une première face principale de la préforme, et une étape d’aiguilletage desdits filaments au moyen d’un dispositif d’aiguilletage comprenant une pluralité d’aiguilles, chacune munie d’au moins une encoche, de sorte que des filaments soient entraînés par les aiguilles et disposés dans une direction sensiblement perpendiculaire aux fibres continues de la préforme.
Les aiguilles sont entraînées dans un mouvement de va-et-vient par un système d’entrainement du dispositif d’aiguilletage, pour traverser la préforme, de préférence de part en part. Lors du mouvement des aiguilles en direction de la préforme, au moins une partie de ces filaments se positionnent dans les encoches des aiguilles et sont entraînés par les aiguilles à travers la préforme. Ces filaments aiguilletés positionnés dans la direction Z, dans l’épaisseur de la préforme, stabilisent la préforme et permettent d’augmenter la cohésion de la préforme pour la ou les étapes ultérieures de traitement de la préforme, notamment d’éviter un délaminage ou un déplacement non souhaité de fibres continues de la préforme lors du transfert de la préforme pour l’étape de traitement thermique ou une étape éventuelle de formage. Par ailleurs, suivant la nature des filaments, ces derniers permettent d’obtenir une pièce en matériau composite renforcé dans la direction Z, dans l’épaisseur de la pièce.
Lors de l’aiguilletage, les encoches des aiguilles sont remplies par les filaments de sorte que les fibres unidirectionnelles ne sont pas ou peu entraînées ou endommagées par les aiguilles. Dans le cas de préformes présentant des fibres continues avec une orientation principale, les aiguilles sont disposées de sorte que leurs encoches ne puissent emporter les fibres continues de la préforme, les encoches étant de préférence disposées à 90° de l’orientation principale des fibres.
Les fibres continues, de préférence appliquées par placement de fibres, sont de préférence des fibres unidirectionnelles, par exemple des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres synthétiques telles que des fibres d’aramide, des fibres de polyéthylène, et/ou des fibres naturelles, telles que par exemple des fibres de lin.
Le premier polymère est un polymère thermoplastique et/ou thermodurcissable. L’étape de traitement thermique est effectuée à une température assurant la cuisson du premier polymère, dans le cas d’un polymère thermodurcissable, ou la consolidation du premier polymère, dans le cas d’un polymère thermoplastique.
Le procédé selon l’invention peut avantageusement être utilisé pour la réalisation de pièce en matériau composite, notamment dans le domaine de l’automobile ou l’aéronautique.
Selon un mode de réalisation, les filaments non tissés appliqués lors de l’étape d’application sont formés à partir d’au moins un deuxième polymère. Ce deuxième polymère est de préférence un polymère thermoplastique. Selon un mode de réalisation, l’étape de traitement thermique est effectuée à une température inférieure à la température de fusion du deuxième polymère, les filaments conférant un renfort en Z de la pièce finale. Par ailleurs en cas d’étape de formage, celle-ci est effectuée à une température inférieure à la température de fusion, et de préférence supérieure à la température de transition vitreuse dudit deuxième polymère, de sorte que les filaments assurent un bon maintien des fibres de la préforme lors de l’étape de formage, notamment sa tenue mécanique au délaminage.
Selon d’autres modes de réalisation, les filaments appliqués sur la préforme sont des fibres minérales, notamment des fibres céramiques telles que des fibres de verre, des fibres de carbone, ou des fibres métalliques, les filaments permettant de renforcer la préforme ainsi que la pièce finale dans l’épaisseur.
La densité d’aiguilletage est définie notamment en fonction de la perméabilité et de la stabilisation recherchées, et du type d’aiguille utilisée. Selon un mode de réalisation, la densité d’aiguilletage lors de l’étape d’aiguilletage est comprise entre 10 et 350 coups/cm2. Dans le cas d’un dispositif d’aiguilletage muni d’aiguilles à fourche, la densité d’aiguilletage est de préférence de 150 à 350 coups/cm2, mieux encore de 200 à 300 coups/cm2. Dans le cas d’un dispositif d’aiguilletage muni d’aiguilles à barbes, comprenant chacune plusieurs encoches, la densité d’aiguilletage est de préférence de 10 à 100 coups/cm2, mieux encore de 40 à 60 coups/cm2.
La partie travaillante des aiguilles a de préférence un diamètre compris entre 0,30 et 0,60 mm, de préférence entre 0,40 et 0,50 mm (jauges de 38 à 42).
La largeur et/ou la profondeur des encoches, de préférence la largeur et la profondeur des encoches, sont comprises entre 0,03 et 0,1 mm, de préférence entre 0,04 et 0,06 mm.
La longueur des filaments est définie en fonction de l’épaisseur de la préforme, de préférence de sorte que les filaments aiguilletés traversent la préforme. Par ailleurs, les filaments aiguilletés doivent de préférence être suffisamment longs pour rester entremêlés sur la première face de la préforme, et ainsi assurer une meilleure stabilité de la préforme.
Selon un mode de réalisation, les filaments appliqués sur la préforme ont une longueur comprise entre 10 et 100 mm, de préférence entre 40 et 60 mm, et un diamètre compris entre 5 et 50 pm, de préférence 10 à 35 pm.
Selon un mode de réalisation, l’aiguilletage est réalisé de sorte que des filaments transférés par les aiguilles dépassent de la deuxième face principale de la préforme qui est opposée à la première face principale sur laquelle les filaments ont été appliqués, sur une longueur comprise entre 1 et 10 mm, de préférence de 2 à 6 mm, certains de ces filaments pouvant former des boucles dépassant de la deuxième face de la préforme.
Selon un mode de réalisation, l’aiguilletage est réalisé au moyen d’aiguilles à fourche, de préférence avec une profondeur de pénétration d’aiguille comprise entre 1 et 10 mm, de préférence entre 2 et 6 mm. L’utilisation d’aiguilles à fourche permet d’obtenir un aiguilletage efficace des filaments, sans détérioration des fibres de la préforme.
Selon un mode de réalisation, ladite étape d’application de filaments comprend l’application d’un voile ou feutre non tissé formé desdits filaments. Les feutres utilisés peuvent être isotropes, avec des filaments orientés de manière aléatoire, ou des feutres orientés avec des filaments présentant une orientation préférentielle. Dans le cas de feutres orientés, les aiguilles, et plus particulièrement leurs encoches, sont disposées en fonction de l’orientation des filaments de manière à optimiser le taux de prise de filaments par les aiguilles. Dans le cas de préformes présentant des fibres continues avec une orientation principale, le feutre orienté est avantageusement appliqué sur la préforme de sorte que les filaments fassent un angle non nul avec les fibres continues d’orientation principale de la préforme, par exemple un angle de 90°.
Selon un mode de réalisation, le feutre présente une masse surfacique de 5 à 100 g/m2, et/ou la préforme munie de filaments comprend de 1 à 10% en poids de filaments, de préférence de 2 à 5% en poids de filaments.
Une partie des filaments du feutre est transférée à travers la préforme, les filaments non transférés présents sur la première face principale peuvent être retirés par pelage du feutre ou non.
Selon un mode de réalisation, le reste de feutre est maintenu sur la préforme pour l’opération de traitement thermique et l’éventuelle l’opération de formage préalable, les feutres pouvant augmenter la tenue au choc de la préforme et/ou améliorer l’aspect de surface de la préforme.
Selon un mode de réalisation, le premier polymère se présente sous la forme de poudre et/ou d’un ou plusieurs voiles et/ou de fils, lesdits fils et lesdites fibres continues sont de préférence comêlés et forment des comêlés. Selon un autre mode de réalisation, les préformes sont obtenues à partir de fibres pré-imprégnées de premier polymère. Par rapport à l’utilisation de fibres pré-imprégnées du premier polymère, l’utilisation d’un premier polymère sous forme de poudre, et/ou voile(s) et/ou fils permet de faciliter l’opération d’aiguilletage ultérieure.
De préférence, le procédé comprend la réalisation d’une préforme non tissée. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la réalisation d’une préforme initiale, comprenant plusieurs plis superposés, lesdits plis étant formés à partir de fibres continues de préférence unidirectionnelles et du premier polymère.
Selon un mode de réalisation, la préforme est obtenue par un procédé de placement de fibres, connu en soi. Selon un mode de réalisation, la réalisation de la préforme comprend la réalisation de plis superposés, par application au contact, au moyen d’un rouleau d’application, de fibres continues de préférence unidirectionnelles et du premier polymère sur un outillage de drapage, chaque pli étant réalisé par application d’une ou plusieurs bandes selon une orientation sur l’outillage de drapage ou sur des bandes du pli précédent, chaque bande étant formée d’une ou plusieurs fibres. De préférence, le premier polymère se présente sous la forme de poudre, et/ou d’un ou plusieurs voiles, et/ou de fils, de préférence la poudre et/ou le(s) voile(s) sont pré-appliqués sur les fibres avant drapage, et/ou les fibres forment avec les fils polymère des comêlés.
De préférence, lors du drapage le premier polymère est partiellement chauffé afin de rendre une partie du premier polymère collant et assurer une cohésion de la préforme, suffisante pour son traitement ultérieur.
Selon une variante de réalisation, les fibres drapées sont munies d’un troisième polymère, formant avec le premier polymère la matrice ou constituant un liant, le drapage étant réalisé en appliquant un chauffage pour chauffer le troisième polymère afin de le rendre collant, le premier polymère restant peu ou pas collant. Ce troisième polymère assure la liaison des plis lors du drapage.
Dans le cas d’un troisième polymère formant la matrice, la matrice est formée d’une partie majoritaire de premier polymère, le troisième polymère formant par exemple jusqu’à 20% en poids de la matrice. Le troisième polymère peut se présenter sous une forme de poudre, de voile(s) et/ou de fils, et être présent avec le premier polymère sur les fibres avant leur drapage.
Dans le cas d’un troisième polymère constituant un liant, les préformes sont obtenues par application de fibres munies du premier polymère et du liant et/ou par application de fibres munies uniquement du premier polymère, et application de liant, par exemple par pulvérisation d’un liant liquide et/ou projection d’un liant sous forme de poudre, sur la surface d’application et/ou sur les fibres préalablement drapées. La préforme comprend moins de 10% en poids de liant, de préférence moins de 5% en poids de liant.
Le placement de fibres est avantageusement automatisé au moyen d’une tête de placement de fibres, connue en soi, comportant un rouleau de compactage destiné à venir en contact contre l’outillage pour appliquer une bande formée d’une ou plusieurs fibres plates continues, et un système de guidage pour guider la ou les fibres sur ledit rouleau, par déplacement relatif de la tête d’application par rapport à la surface de drapage selon différentes trajectoires. La préforme comprend par exemple de 2 à 100 plis superposés.
Lesdites fibres continues unidirectionnelles se présentent de préférence sous la forme de fibres continues unidirectionnelles plates, classiquement appelées mèches, comprenant une multitude de filaments. Les fibres présentent par exemple des largeurs d’un huitième de pouce, un quart de pouce ou un demi-pouce (1/8, 1/4 ou 1/2). Dans la présente, le terme «fibres » désigne également des fibres de plus grande largeur, supérieure à 1/2 pouce, classiquement appelée bande dans la technologie du placement.
En variante, les fibres peuvent être fixées sur le moule, par exemple mécaniquement ou par collage, uniquement en début et en fin de trajectoire, le rouleau étant de préférence en contact en début et en fin de trajectoire, et éventuellement à distance de la surface sur le reste de la trajectoire.
Le deuxième polymère et le troisième polymère, lorsqu’ils sont présents, peuvent être différents ou identiques ou de même famille.
Selon un mode de réalisation, le deuxième polymère formant le liant et/ou le deuxième polymère formant les filaments est un polymère thermoplastique, de préférence choisi dans le groupe constitué par les polyamides, notamment les polyamides aromatiques (aramides), polyesters tels que le polyéthylène téréphtalate, polyéthersulfones, polyétheréthercétones, poly sulfures de phénylène, polyuréthanes, époxydes, polyoléfines, acide polylactique, polyacryliques, et leurs mélanges. Dans le cas de polymère thermodurcissable, le troisième polymère thermodurcissable et/ou le deuxième polymère thermodurcissable sont par exemple choisis dans le groupe constitué par les époxydes, polyesters, vinylesters, phénoliques, polyimides, bismaléimides, et leurs mélanges.
Le premier polymère est différent du deuxième et troisième polymère. Selon un mode de réalisation, le premier polymère est un polymère thermoplastique, de préférence choisi dans le groupe constitué par les polyamides, notamment les polyamides aromatiques (aramides), polyesters tels que le polyéthylène téréphtalate, polyéthersulfones, polyétheréthercétones, poly sulfures de phénylène, polyuréthanes, époxydes, polyoléfines, acide polylactique, polyacryliques, et leurs mélanges. Dans le cas d’un premier polymère thermodurcissable, celui-ci est par exemple choisi dans le groupe constitué par les époxydes, polyesters, vinylesters, phénoliques, polyimides, bismaléimides, et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de thermoformage de la préforme renforcée obtenue après l’étape d’aiguilletage, par exemple entre l’outillage de formage mâle et l’outillage de formage femelle d’une presse, pour obtenir une préforme tridimensionnelle, l’étape de traitement thermique pour cuire ou consolider le premier polymère, et l’éventuel troisième polymère pouvant être effectuée, directement après l’opération de formage, en maintenant la préforme entre l’outillage male et l’outillage femelle, en particulier dans le cas d’un premier polymère thermoplastique.
Lorsque les filaments sont formés d’un deuxième polymère, le thermoformage est réalisé à une température de thermoformage inférieure à la température de fusion du deuxième polymère, et de préférence supérieure à la température de transition vitreuse du deuxième polymère, la préforme tridimensionnelle obtenue après le thermoformage étant soumise à l’étape d’imprégnation.
En l’absence d’aiguilletage, la déformation de la préforme lors du formage s’effectue fibre par fibre. L’opération d’aiguilletage de la préforme selon l’invention préalablement à l’opération de formage permet d’obtenir une déformation homogène de la préforme, du fait du glissement des filaments aiguilletés.
Par ailleurs, les filaments du feutre présents sur chaque face principale de la préforme permettent un glissement de la préforme dans la presse sans adhérence. Les filaments extérieurs stabilisent les surfaces extérieures de la préforme en limitant, voire supprimant, les déformations locales de la préforme et assurent ainsi une déformation homogène des fibres de la préforme. Le procédé selon l’invention permet ainsi de favoriser les mécanismes de glissement entre les outillages de formage et la préforme, et ainsi de limiter, voire supprimer, les défauts de fibres des plis externes des préformes résultant des frictions entre la préforme et les outillages de formage dans les procédés de formage antérieurs.
Lorsque le troisième polymère est présent, le formage est de préférence réalisé à une température de formage inférieure à la température de fusion du troisième polymère, et de préférence supérieure à la température de transition vitreuse dudit troisième polymère, la température de formage étant de préférence inférieure à la température de transition vitreuse du premier polymère.
Le formage est réalisé à chaud, la préforme initiale étant chauffée à une température de formage avant et/ou pendant le formage afin d’augmenter la formabilité de la préforme. La préforme initiale peut être préchauffée avant le formage, par passage dans un four ou tunnel et/ou la préforme peut être chauffée lors du formage, par exemple par chauffage de l’outillage de formage mâle et/ou l’outillage de formage femelle. De ίο préférence, la préforme est uniquement préchauffée par passage dans four ou tunnel, les outillages de la presse n’étant pas chauffés, simplifiant ainsi les outillages de presse.
En l’absence du troisième polymère, le formage est de préférence réalisé à une température de formage inférieure à la température de fusion du premier polymère, et de préférence supérieure à la température de transition vitreuse dudit premier polymère.
La préforme initiale peut être bidimensionnelle, obtenue par drapage sur la surface plane d’un outillage, ou tridimensionnelle, le formage pouvant alors être effectué pour obtenir des pièces tridimensionnelles de forme complexe ne pouvant être obtenues par drapage, notamment par placement de fibres.
L’invention a également pour objet une préforme renforcée aiguilletée telle qu’obtenue à l’issue de l’étape d’aiguilletage du procédé décrit précédemment, ainsi qu’une pièce en matériau composite telle qu’obtenue selon le procédé décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre de modes de réalisation particuliers actuellement préférés de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d’un exemple de pièce tridimensionnelle en matériau composite réalisée selon le procédé selon l’invention ;
- la figure 2 est une vue schématique de côté illustrant l’opération de drapage de la préforme initiale ;
- la figure 3 est une vue schématique de côté illustrant l’opération d’aiguilletage d’un feutre de fibres non tissé appliqué sur la préforme ;
- la figure 4 est une vue schématique d’une aiguille à barbe utilisable dans le dispositif d’aiguilletage, et la figure 5 est une vue agrandie partielle de la figure 4 ;
- la figure 6 est une vue analogue à celle de la figure 5 illustrant une aiguille à fourche utilisable dans le dispositif d’aiguilletage ;
- la figure 7 est une vue partielle schématique en coupe de la préforme après aiguilletage ;
- les figures 8 et 9 sont des vues en coupe de la presse illustrant l’opération de formage de la préforme obtenue après aiguilletage ;
- la figure 10 est une vue schématique de côté d’un système de drapage et d’aiguilletage selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 11 est une vue schématique de côté d’un système de drapage et d’aiguilletage selon un deuxième mode de réalisation, et la figure 12 est une vue agrandie partielle de la figure 12 ;
- la figure 13 est une vue schématique de côté d’un système de drapage et d’aiguilletage selon un troisième mode de réalisation ; et,
- les figures 14 et 15 sont respectivement une vue de dessus et une vue de côté d’un dispositif d’aiguilletage selon une variante de réalisation.
La Figure 1 illustre un exemple de pièce en matériau composite tridimensionnelle 1 réalisable selon un procédé de l’invention, comprenant le drapage de fibres continues pour former une préforme plane, l’application d’un feutre de fibres non tissé sur la préforme et l’aiguilletage dudit feutre, le formage de la préforme et le traitement thermique de la préforme. La pièce présente ici la forme d’une calotte sphérique 11 avec un rebord annulaire 12.
Dans une première étape, tel qu’illustré à la figure 2, des plis de fibres unidirectionnelles continues sont drapés à plat sur un outillage de drapage 2 dans des différentes orientations, pour former une plaque ou une préforme 101 initiale bidimensionnelle présentant deux faces principales opposées 111, 112.
Le drapage est effectué au moyen d’un dispositif de drapage 3 comprenant une tête 30 de placement de fibres, connue en soi, permettant le drapage automatique au contact de bandes formées d’une ou plusieurs fibres. Les fibres F entrent dans la tête 3 sous la forme de deux nappes de fibres, et la tête comprend un système de guidage 31 permettant de guider les fibres vers le rouleau de compactage 32 sous la forme d’une bande de fibres dans laquelle les fibres sont disposées côte à côte, par exemple sensiblement bord à bord. La tête comprend, de part et d’autre du système de guidage, des moyens de coupe 33 pour couper individuellement chaque fibre passant dans le système de guidage, des moyens de blocage 34 pour bloquer chaque fibre venant d’être coupée, et des moyens de réacheminement 35 pour entraîner individuellement chaque fibre, ceci afin de pouvoir à tout moment stopper et reprendre l’application d’une fibre, ainsi que choisir la largeur de la bande. Le drapage d’une bande est réalisé par déplacement relatif de la tête par rapport à la surface de drapage sensiblement plane de l’outillage de drapage. La tête comprend par exemple une structure support (non représentée) sur laquelle est monté le système de guidage et par laquelle la tête peut être assemblée à un système de déplacement, apte à déplacer la tête selon au moins deux directions perpendiculaires l’une à l’autre. La tête est par exemple prévue pour recevoir huit fibres, et permettre l’application de bandes de 1 à 8 fibres de 6,35 mm (1/4 de pouce) de large.
La tête est utilisée pour la réalisation d’une préforme à partir de fibres munies d’un premier polymère destiné à former la matrice polymère de la pièce.
La tête 3 est de préférence équipée d’un système de chauffage (non représenté), par exemple de type lampe IR ou laser, afin de chauffer le premier polymère en cours d’application des fibres, et ainsi permettre au moins une adhésion des fibres des différents plis. Le système de chauffage chauffe les fibres avant leur application sur la surface d’application, ainsi que la surface d’application ou les fibres préalablement déposées, en amont du rouleau par rapport à la direction d’avancement de la tête.
Les fibres sont par exemple des fibres de carbone, plates continues, de type mèches, comprenant une multitude de fils ou filaments de carbone, avec un premier polymère thermoplastique présent en quantité de l’ordre de 40% en poids. Le premier polymère est par exemple un polymère thermoplastique sous forme de poudre, une partie seulement de la poudre étant fondue lors de l’application des fibres pour assurer un soudage partiel des plis.
Après réalisation de la préforme 101, un feutre 4 de filaments ou fibres 40 non tissé est appliqué sur une première face principale 111 de la préforme, et la préforme ainsi munie du feutre est soumise à une opération d’aiguilletage, tel qu’illustré schématiquement à la figure 3, par passage dans un dispositif d’aiguilletage ou aiguilleteuse 5. Le feutre comprend par exemple des filaments non tissés formés d’un deuxième polymère thermoplastique.
L’aiguilleteuse 5, connue en soi pour consolider des nappes de fibres, comprend une pluralité d’aiguilles 51 montées sur un support 52 ou planche à aiguilles, apte à être animé, par des moyens 53 appropriés, d’un mouvement de va-et-vient dans une direction parallèle aux aiguilles. L’aiguilleteuse comprend une table support 54 ajourée disposée en vis à vis des aiguilles et destinée à supporter la préforme, ainsi qu’un débourreur ou dévêtisseur 55 placé entre la table support et les aiguilles, muni de trous traversant pour le passage des aiguilles. La table support comprend également un ensemble de trous pour permettre le passage des aiguilles après qu’elles aient traversé la préforme. L’aiguilleteuse est par exemple équipée d’aiguilles 51 dites à barbes, tel qu’illustré aux figures 4 et 5, comprenant le long de sa portion distale ou portion travaillante 51a une ou plusieurs encoches 51b, orientées en direction de l’extrémité de l’aiguille, de sorte que l’aiguille entraîne les filaments uniquement lors de la phase de pénétration, soit de haut en bas sur la figure 3. En variante, l’aiguilleteuse est équipée d’aiguilles 151 dites à fourche, tel qu’illustré à la figure 6, comprenant une ou plusieurs encoches 151b à l’extrémité de sa partie travaillante 151a.
Pendant l’aiguilletage, la préforme est entraînée positivement dans le sens de la flèche référencée Fl, et les aiguilles sont entraînées en va et vient. Lors du déplacement des aiguilles vers le bas, des fibres du feutre se positionnent dans les encoches 51b des aiguilles et sont entraînées au travers de toute l’épaisseur de la préforme, les filaments ressortant sur la deuxième face principale 112, tel qu’illustré schématiquement à la figure
7. La densité d’aiguilletage est définie en fonction de la fréquence du mouvement en va-et-vient des aiguilles, le nombre d’aiguilles, et la vitesse d’avancement de la préforme dans l’aiguilleteuse.
Après aiguilletage, le reste du feutre formé par les filaments présents sur la première face qui n’ont pas été aiguilletés, peut être maintenu sur la préforme ou être retiré. Selon un mode de réalisation, la densité d’aiguilletage et la profondeur de pénétration des aiguilles, qui est égale à la distance entre l’extrémité de l’aiguille et la deuxième face principale de la préforme, sont définies de sorte que la préforme présente une quantité de filaments, de préférence similaires, sur chacune de ses faces, ces filaments en surface augmentant la perméabilité de la préforme, et facilitent par ailleurs l’opération de formage. Selon une variante de réalisation, les filaments ne sont pas appliqués sous la forme d’un feutre, mais projetés de manière aléatoire sur la première face de la préforme.
La préforme munie de filaments aiguilletés, appelée préforme renforcée 201, est ensuite transférée vers une presse pour l’opération de formage, également appelée opération d’emboutissage. Tel qu’illustré à la figure 8, la presse 6 comprend un outillage de formage femelle 61 ou matrice, présentant un renfoncement dont la forme correspond à celle de la calotte sphérique 12 de la préforme à réaliser, et un outillage de formage mâle 62, ou poinçon, comprenant un bossage de forme complémentaire. Le formage est réalisé par rapprochement relatif de l’outillage de formage mâle et de l’outillage de formage femelle, d’une position ouverte de la presse illustrée à la figure 4 vers une position fermée de la presse illustrée à la figure 5.
Le formage est réalisé à chaud, la préforme étant à une température de formage comprise entre la température de transition vitreuse et la température de fusion du premier polymère, et entre la température de transition vitreuse et la température de fusion du deuxième polymère formant les filaments du feutre. Cette température de formage de la préforme est obtenue par préchauffage de la préforme avant positionnement dans la presse et/ou par chauffage des deux outillages 61, 62. Ce préchauffage est par exemple réalisé par passage de la préforme initiale entre les rampes de lampe infrarouge supérieure et inférieure d’un four ou tunnel de préchauffage. De préférence, lors du formage, la préforme est maintenue sous tension par un système de mise sous tension, par exemple de type serre-flan, tel que représenté de manière schématique sous la référence 63.
La préforme est ensuite soumise à une opération de traitement thermique, afin de fondre l’ensemble du premier polymère et former la pièce.
Les outillages 61, 62 sont ensuite écartés l’un de l’autre en position ouverte pour pouvoir démouler la pièce de la presse, la pièce composite 1 pouvant être soumise à une éventuelle opération de détourage.
Selon une variante de réalisation, les fibres munies du premier polymère sont en outre munies d’un liant classiquement appelé « binder », pour conférer un caractère collant aux fibres lors du drapage et assurer la cohésion de la préforme. Le liant, constitué d’un troisième polymère, peut être appliqué sur les fibres munies du premier polymère avant le drapage, par exemple sous la forme de voile et/ou de poudre, des bobines de fibres pré-munies de liant étant alors chargées dans la machine de placement de fibre. Le liant peut être appliqué en ligne, lors du drapage des fibres, par exemple directement sur les fibres à draper, par exemple sous forme de filaments, tel que décrit dans la demande de brevet français n°16 70088, déposée le 7 mars 2016 et ayant pour titre « Procédé de réalisation de préformes avec application de liant sur fibre sèche, et machine correspondante ». Le troisième polymère thermoplastique présente un point de fusion inférieur au point de fusion du premier polymère. Lors du drapage, un chauffage est effectué afin de chauffer au moins en partie le troisième polymère et assurer la cohésion de la préforme. Lors du formage ultérieur la préforme est portée à une température de formage comprise entre la température de transition vitreuse et la température de fusion du troisième polymère.
A titre d’exemple, les pièces suivantes ont été réalisées.
Exemple 1
- Drapage : Drapage d’une préforme par placement de fibres de carbone munies d’un premier polymère, formé d’un polypropylène, sous forme de fils, ayant un point de fusion de l’ordre de 160°C, et une température de transition vitreuse d’environ 10°C, la préforme étant réalisée en drapant huit plis de fibres dans des orientations différentes, selon l’empilement suivant : +45°/-45o/0o/90o/90o/0o/-45o/+45°, le polypropylène étant porté en surface à une température de 120°C.
- Application : Application d’un feutre non tissé en filaments ou fibres polyester de 14pm de diamètre, de 40 à 60 mm de longueur, et un point de fusion d’environ 210°C, ledit feutre, d’orientation isotrope, ayant une masse surfacique de 50 g/m2.
- Aiguilletage avec des aiguilles à barbes, de jauge 40 (0,45 mm), présentant une partie travaillante de section triangulaire, avec deux encoches ou barbes par arête, avec une densité d’aiguilletage de 50 coups/cm2. Le reste de feutre est maintenu sur la préforme.
- Formage : formage à une température de formage de 120°C.
- Traitement thermique : traitement thermique à 190°C.
Exemple 2 : Les étapes de drapage, formage et traitement thermique sont identiques à celles de l’exemple L
- Application : Application d’un feutre non tissé en fibres polyacrylonitrile pré-oxydé de 30 pm de diamètre, de 40 à 60 mm de longueur, et un point de fusion supérieur à 200°C, ayant une masse surfacique de 60 g/m2, les fibres ayant une orientation sensiblement isotrope.
- Aiguilletage avec des aiguilles à fourche, ayant une partie travaillante de jauge 42 (0,40mm), présentant une encoche ou fourche en extrémité, de 0,05mm de profondeur et 0,05mm de largeur, avec une densité d’aiguilletage de 200 coups/cm2 et une profondeur de pénétration de 5 mm. Le reste de feutre est maintenu sur la préforme.
La figure 10 illustre un système 108 de drapage et d’aiguilletage selon l’invention dans lequel le transfert de la préforme du dispositif de drapage 3 vers l’aiguilleteuse 5, ainsi que l’avancée de la préforme lors de l’aiguilletage sont réalisés au moyen d’un film support 80. Un film support est déroulé depuis un rouleau amont 81 passe sur la plaque de drapage 2, entre la table support et le débourreur de l’aiguilleteuse, puis sur une plaque de découpe 83, et est ré-enroulé sur un rouleau aval 82. La préforme est dans un premier temps drapée sur le film support puis est transférée vers l’aiguilleteuse par enroulement du film sur le rouleau aval. Lors de ce transfert, le feutre 4 est déroulé automatiquement depuis une bobine 40 pour être appliqué sur la face supérieure de la préforme. Le feutre et ensuite aiguilleté, le film étant enroulé sur le rouleau aval pour faire avancer progressivement la préforme dans l’aiguilleteuse. La préforme renforcée est ensuite amenée sur la plaque de découpe 83, pour découper, par exemple par un système de découpe ultrason 84, le film autour de la préforme. Le film support peut ensuite être retiré de la préforme ou être maintenu sur celle-ci pour la phase ultérieure de traitement thermique, avec une éventuelle étape de formage intermédiaire. Le drapage s’effectue de préférence avec le film support à l’état stationnaire. La découpe du film d’une préforme peut par exemple être effectuée simultanément au drapage d’une nouvelle préforme.
Les figures 11 et 12 illustrent une variante de réalisation d’un système 208 de drapage et d’aiguilletage, dans lequel la préforme est drapée sur le brin supérieur d’un premier convoyeur à bande 280, transférée sur un deuxième convoyeur à bande 284 pour l’application du feutre, puis transférée sur la table support de l’aiguilleteuse 205 qui est ici formée par le brin supérieur d’un troisième convoyeur à bande 250, qui assure l’avancée de la préforme lors de l’aiguilletage. Le premier convoyeur 280 comprend une bande 281 sans fin montée entre un rouleau amont et un rouleau aval, dont au moins un des deux est motorisé. Le brin supérieur 281a de la bande repose sur la plaque de drapage 2 et la préforme est drapée sur ledit brin supérieur, de préférence lorsque la bande est à l’arrêt. Après drapage de la préforme, le convoyeur est activé pour transférer la préforme sur le brin supérieur 285a de la bande 285 du deuxième convoyeur 284, la bande étant montée entre un rouleau amont et un rouleau aval. Le feutre de filaments non tissé est appliqué sur la face supérieure de la préforme, au fur et à mesure de l’avancée de la préforme sur le deuxième convoyeur, et la préforme munie du feutre est transférée sur le brin supérieur du troisième convoyeur pour l’opération d’aiguilletage. La bande 251 de ce troisième convoyeur est montée également entre un rouleau amont 252 et un rouleau aval 253. Le troisième convoyeur est un convoyeur à brosse, dans lequel la bande présente une pluralité de poils sur lesquels repose la préforme, et dans lesquels les aiguilles pénètrent lors de l’aiguilletage, sur une profondeur de pénétration, définie par exemple entre 2 et 10 mm.
La figure 13 illustre un autre système 308 selon l’invention dans lequel la préforme est drapée sur le feutre de filaments non tissé, ledit feutre étant utilisé pour le transfert de la préforme du dispositif de drapage 3 vers l’aiguilleteuse 5, ainsi que pour l’avancée de la préforme lors de l’aiguilletage. Le feutre déroulé depuis une bobine 40 passe sur la plaque de drapage 2, entre la table support et le débourreur de l’aiguilleteuse, puis sur une plaque de découpe 83, et est ré-enroulé sur un rouleau aval 382. Par rapport au mode de réalisation précédent, l’aiguilleteuse est dans une position inversée, de sorte que la planche à aiguilles soit disposée du côté de la préforme munie du feutre. Le feutre est avantageusement un feutre orienté, ledit feutre étant disposé de sorte que les filaments d’orientation principale soient disposés selon la direction d’avancement du feutre afin que ledit feutre présente une bonne tenue mécanique assurant le support et le transfert de la préforme d’un poste à l’autre.
Les figures 14 et 15 illustrent une variante de réalisation dans laquelle la préforme munie du feutre est montée sur un cadre 305 au moyen de pinces, l’opération d’aiguilletage étant réalisé par déplacement en translation du cadre par rapport à une aiguilleteuse 5 par des moyens appropriés. Lors de l’aiguilletage, la préforme est par exemple maintenue entre une pince amont 351 et une pince aval 352, et est positionnée entre le débourreur et la table support de l’aiguilleteuse.
Bien que l’invention ait été décrite en liaison avec différents modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu’elle n’y est nullement 5 limitée et qu’elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l’invention.
Claims (12)
- REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation de pièces en matériau composite comprenant des fibres continues et une matrice formée d’au moins un premier polymère, ledit procédé comprenant- une étape de réalisation d’une préforme (101), formée à partir de fibres continues et du premier polymère, et- une étape de traitement thermique de la préforme pour former la pièce en matériau composite, caractérisé en ce qu’il comprend en outre- une étape d’application de filaments (40) non tissés sur au moins une première face principale (111) de la préforme, et- une étape d’aiguilletage desdits filaments au moyen d’un dispositif d’aiguilletage (5, 205, 305) comprenant une pluralité d’aiguilles (51,151), chacune munie d’au moins une encoche (51b, 151b), de sorte que des filaments soient entraînés par les aiguilles et disposés dans une direction sensiblement perpendiculaire aux fibres continues de la préforme.
- 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filaments (40) non tissés sont formés d’au moins un deuxième polymère.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la densité d’aiguilletage lors de l’étape d’aiguilletage est comprise entre 10 et 350 coups/cm2.
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les filaments (40) appliqués sur la préforme ont une longueur comprise entre 10 et 100 mm.
- 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’aiguilletage est réalisé de sorte que des filaments (40) transférés par les aiguilles dépassent la deuxième face principale (112) de la préforme sur une longueur comprise entre 1 et 10 mm.
- 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l’aiguilletage est réalisé au moyen d’aiguilles à fourche.
- 7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite étape d’application de filaments (40) comprend l’application d’un feutre (4) non tissé formé desdits filaments.
- 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le feutre présente une masse surfacique de 5 à 100 g/m2.
- 9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier polymère se présente sous la forme de poudre et/ou d’un ou plusieurs voiles et/ou de fils.
- 10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce 5 qu’il comprend la réalisation d’une préforme initiale (101) comprenant plusieurs plis superposés, lesdits plis étant formés à partir de fibres continues et du premier polymère.ll. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la réalisation de la préforme comprend la réalisation de plis superposés, par application au contact, au moyen d’un rouleau îo d’application (32), de fibres continues et du premier polymère sur un outillage de drapage (2), chaque pli étant réalisé par application d’une ou plusieurs bandes selon une orientation sur l’outillage de drapage ou sur des bandes du pli précédent, chaque bande étant formée d’une ou plusieurs fibres.
- 15
- 12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de thermoformage de la préforme renforcée obtenue après l’étape d’aiguilletage pour obtenir une préforme tridimensionnelle.1/5
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