FR3068285A1 - Procede de fabrication de structures en materiaux composites thermodurcissables par assemblage de pieces elementaires composites moulees par injection infusion de resine liquide - Google Patents

Procede de fabrication de structures en materiaux composites thermodurcissables par assemblage de pieces elementaires composites moulees par injection infusion de resine liquide Download PDF

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Abstract

La présente invention porte sur un procédé de réalisation d'une pièce structurale (1) en matériau composite par injection-infusion d'une résine liquide thermodurcissable dans un renfort fibreux, la pièce structurale comportant un premier élément (10) et au moins un deuxième élément (20). Chacun du premier élément et de l'au moins un deuxième élément est réalisé dans un état intermédiaire au cours d'une étape distincte d'injection-infusion associée à une cuisson partielle arrêtée à un taux de réticulation de la résine en dessous d'un point de gélification de ladite résine ; Le premier élément et l'au moins un deuxième élément sont maintenus dans un outillage, dans une position relative et dans une forme que lesdits éléments doivent avoir dans la pièce structurale à réaliser, pendant une phase de cuisson complète simultanée hors autoclave pour obtenir un taux de polymérisation souhaité de la résine dudit premier élément et de la résine dudit au moins un deuxième élément. L'invention porte également sur une pièce structurale (1) réalisée par le procédé.

Description

Procédé de fabrication de structures en matériaux composites thermodurcissables par assemblage de pièces élémentaires composites moulées par injection infusion de résine liquide DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention appartient au domaine de la fabrication de pièces en matériaux composites, elle concerne plus particulièrement les procédés de moulage de composites par injection-infusion de résine.
La présente invention s’applique plus généralement aux domaines des composites de haute performance, des technologies de moulage de composites par injection-infusion de résine liquide, des technologies d’assemblage de composites et des techniques de fabrication hors autoclave.
ÉTAT DE L’ART
Les procédés de moulage de composites par injection de résine liquide (Liquid Composite Molding abrégé en LCM en terminologie anglo-saxonne) représentent une classe établie de techniques pour la fabrication de pièces structurales ou semi-structurales en matériaux composites à base de résine renforcée par un renfort fibreux.
Les variantes connues des procédés LCM partagent le même principe : une résine liquide est injectée dans un moule fermé (RTM) ou ouvert (infusion sous vide) dans lequel une préforme fibreuse de fibres sèches a été placée préalablement, après cuisson du mélange fibres-matrice, c’est-à-dire après polymérisation complète de la résine, une pièce est obtenue et peut être démoulée.
Il est principalement fait appel à la technologie LCM dans la fabrication de pièces en composites thermodurcissables, mais il reste néanmoins possible d’appliquer une telle technologie aux composites thermoplastiques, ou à d’autres catégories de résines pour autant qu’elles aient une phase liquide lors de leur injection dans le moule.
De nos jours, la fabrication par un procédé LCM d’une structure composite raidie, c'est-à-dire comportant une peau et au moins un composant de sousstructure tel qu’un raidisseur par exemple, est principalement réalisée par une injection-polymérisation de la structure dans sa totalité et en une seule étape.
Un tel processus implique une polymérisation (ou infusion) de la peau avec les composants de la sous-structure de l’assemblage, et nécessite donc un outillage complexe comprenant de nombreux évents et points ou lignes d’injection dont la position et le nombre sont difficiles à optimiser, des dispositifs d’injectioninfusion complexes selon les dimensions et géométries des pièces fabriquées, comprenant des systèmes de pompes et des machines d’injection, des étapes de compactage des préformes élémentaires longues et difficiles, un temps global d’injection-infusion et de cuisson (polymérisation) très important pour remplir les exigences de santé, mais également mécaniques et thermomécaniques de la pièce structurale fabriquée.
Certaines solutions proches mais plus désavantageuses en termes de coûts et temps de production, consistent à assembler entre elles des parties injectées et polymérisées de la pièce structurale à fabriquer, soit par rivetage, soit par collage avec présence de films de résine d’interface dont la nature est compatible avec la résine d’injection-infusion des pièces composites élémentaires à assembler.
Ce genre d’assemblage par collage nécessite néanmoins l’application d’une pression durant la phase de liaison, à hautes températures, afin d’assurer un bon contact entre les parties à assembler et permettre d’obtenir des propriétés mécaniques et thermomécaniques optimales de l’interface collée. Ces opérations nécessitent, entre autres, un outillage spécifique pour optimiser la liaison entre les différentes parties de la pièce structurale.
En outre, ces procédés d’assemblage par collage (cobonding en terminologie anglo-saxonne) de parties séparées d’une pièce structurale requièrent généralement l’application d’une pression d’au moins quelques bars, ce qui écarte toute technique de fabrication hors autoclave.
Ces procédés nécessitent également une fabrication complète, c'est-à-dire une injection et une polymérisation totale, de tous les composants de sousstructure de la pièce structurale raidie.
PRÉSENTATION DE L’INVENTION
La présente invention a pour but principal de pallier les limitations de l’art antérieur en simplifiant le procédé global de fabrication de pièces structurales en matériaux composites par injection-infusion de résine liquide, tout en améliorant la qualité des pièces fabriquées et en réduisant le temps et le coût de production. La présente invention décrit un procédé de réalisation d’une pièce structurale en matériau composite par injection d’une résine dans un renfort fibreux, la pièce structurale comportant un premier élément et au moins un deuxième élément.
Ce procédé est remarquable en ce que chacun du premier élément et de l’au moins un deuxième élément est réalisé dans un état intermédiaire au cours d’une étape distincte d’injection-infusion associée à une cuisson partielle arrêtée à un taux de réticulation de la résine en dessous d’un point de gélification de ladite résine, et en ce que ledit premier élément et ledit au moins un deuxième élément étant maintenus dans un outillage, dans une position relative et dans une forme que lesdits éléments doivent avoir dans la pièce structurale à réaliser, pendant une phase de cuisson complète simultanée hors autoclave pour obtenir un taux de polymérisation souhaité de la résine dudit premier élément et de la résine dudit au moins un deuxième élément.
Selon un premier mode de réalisation, le premier élément et l’au moins un deuxième élément sont réalisés dans l’état intermédiaire séparément l’un de l’autre.
Selon un deuxième mode de réalisation, le premier élément, ou l’au moins un deuxième élément, est réalisé dans l’état intermédiaire au contact de l’au moins un deuxième élément, ou respectivement du premier élément, préalablement réalisé dans l’état intermédiaire.
Avantageusement, l’étape d’injection-infusion est associée à une cuisson partielle jusqu’à un taux de réticulation de la résine compris entre 25% et 50%.
Selon un mode de réalisation, la réalisation du premier élément et ou de l’au moins un deuxième élément dans l’état intermédiaire comporte une étape de fabrication par injection-infusion de résine dans une préforme d’une plaque plane, suivie d’une cuisson partielle de ladite plaque plane, et comporte une étape de découpage et ou de formage de ladite plaque plane aux dimensions et formes voulues pour ledit premier élément et ou ledit au moins un deuxième élément.
Plus particulièrement et selon le premier mode de réalisation, le procédé comporte dans l’ordre les étapes suivantes, la première étape et la deuxième étape pouvant être interverties ou simultanées, la troisième étape et la quatrième étape pouvant être interverties :
- une étape d’injection-infusion de la résine dans une préforme du premier élément, suivie d’une cuisson partielle dudit premier élément
J
- une étape d’injection-infusion de la résine dans une préforme de l’au moins un deuxième élément, suivie d’une cuisson partielle dudit au moins un deuxième élément ;
- une étape d’installation dudit au moins un deuxième élément obtenu à l’étape précédente dans l’outillage ;
- une étape de positionnement du premier élément précuit au contact de l’au moins un deuxième élément installé dans l’outillage à l’étape précédente ;
- une étape de cuisson (ou cocuisson) complète hors autoclave simultanée du premier élément et de l’au moins un deuxième élément positionnés à l’étape précédente jusqu’à un taux de polymérisation final souhaité de la résine de sorte à former des liaisons moléculaires entre les résines polymères des éléments en contact, qui permettent d’assurer les propriétés mécaniques et thermomécaniques visées de l’assemblage des deux éléments.
De façon avantageuse, l’étape de cuisson complète hors autoclave est réalisée sous vide dans un four conventionnel.
Plus particulièrement selon le deuxième mode de réalisation, le procédé comporte dans l’ordre les étapes suivantes :
- une étape d’installation dans un outillage d’injection adapté de l’au moins un deuxième élément injecté-infusé précuit, préalablement fabriqué ;
- une étape d’installation d’une préforme fibreuse du premier élément au contact de l’au moins un deuxième élément précuit ;
- une étape d’injection-infusion de résine dans la préforme fibreuse du premier élément, accompagnées d’une cuisson partielle dudit premier élément pour un assemblage direct du premier élément et de l’au moins un deuxième élément ;
- une étape de cuisson complète hors autoclave de l’assemblage obtenu à l’étape précédente jusqu’à un taux de polymérisation final souhaité de la résine.
Avantageusement, l’étape de cuisson complète, ou post cuisson, hors autoclave est réalisée en mode dit libre, sans mise sous vide et en dehors de l’outillage adapté.
Plus particulièrement, le premier élément comporte une peau ou un panneau et l’au moins un deuxième élément comporte un élément raidissant, ou raidisseur, ou une partie d’élément raidissant.
L’invention porte également sur une pièce structurale en matériau composite comportant une peau, ou un panneau, et au moins une structure raidissante, ou une partie d’une structure raidissante, ladite pièce structurale étant fabriquée par un procédé selon l’invention.
Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif des modes de réalisations d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite et d’une pièce obtenue par ledit procédé conformes aux principes de l’invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les différentes figures ainsi que les éléments d’une même figure ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques portent la même référence.
Il est ainsi illustré en :
Figure 1 : une vue en perspective d’une pièce structurale raidie comprenant une peau et un raidisseur, telle qu’elle peut être réalisée par un procédé selon l’invention ;
Figure 2a : une vue en perspective du raidisseur de la pièce structurale de la figure 1 ;
Figure 2b : une vue en perspective d’une partie de la peau de la pièce structurale de la figure 1 ;
Figure 3 : les étapes du procédé selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
Figure 4 : les étapes du procédé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
La figure 1 illustre à titre d’exemple non limitatif une pièce structurale 1 en matériau composite à base d’une résine thermodurcissable et d’un renfort fibreux, avantageusement réalisée suivant le procédé de l’invention. La pièce structurale 1 est de nature raidie, c'est-à-dire qu’elle est formée par un assemblage d’une enveloppe structurale de type plaque, panneau ou coque, la peau 10, et d’au moins un élément de sous structure de type poutre, le raidisseur 20, qui vient coopérer avec ladite peau afin d’augmenter une rigidité locale et/ou une tenue mécanique globale, par exemple une raideur en flexion, de ladite pièce structurale.
Ces structures dites raidies sont très courantes dans l’industrie, et notamment dans la construction aéronautique et spatiale, elles confèrent les tenues mécaniques désirées tout en limitant l’encombrement et la masse totale des assemblages. On les retrouve couramment sous forme de panneaux composites raidis dans des tronçons de fuselages d’aéronefs par exemple.
Dans la suite, toute pièce structurale raidie en matériau composite fabriquée par un procédé de moulage par injection-infusion de résine liquide sera désignée pièce structurale LCM raidie, ou plus simplement structure LCM.
La pièce structurale 1, illustrée sur la figure 1, est une pièce structurale LCM raidie réalisée suivant l’un des deux modes de mise en œuvre du procédé selon l’invention ci-dessous exposés.
Un premier mode de mise en œuvre du procédé consiste à cuire ensemble les éléments précuits de la structure LCM, autrement dit, une cuisson simultanée de la peau précuite et des raidisseurs précuits.
Un deuxième mode de mise en œuvre du procédé consiste à injecter et précuire la peau avec les raidisseurs précuits dans un premier temps, et à effectuer une post cuisson hors autoclave de la structure LCM précuite obtenue.
Les étapes de chacune des variantes du procédé selon l’invention sont décrites ci-dessous.
Premier mode de réalisation : cuisson simultanée des éléments, peau et raidisseurs, à l’état précuit
Le procédé de fabrication de la structure LCM selon ce premier mode de réalisation comporte les étapes suivantes, numérotées selon les références de la
figure 3 : - Une étape 100 d’injection-infusion de la résine dans une préforme de la peau et de pré cuisson de ladite peau jusqu’à un taux de réticulation de la résine compris entre 25% et 50%, en dessous d’un point de gélification de ladite résine. Dans ce cas, la peau est dite semi cuite en raison du taux de réticulation de sa résine proche d’un taux médian qui confère à la peau une stabilité dimensionnelle suffisante pour permettre sa manipulation en atelier sans nuire à son intégrité, et lui conserve des propriétés de formabilité et une capacité à former de nouvelles liaisons intermoléculaires ; - Une étape 200 de fabrication des raidisseurs semi cuits. Cette étape peut être réalisée selon l’une des alternatives suivantes :
• injection-infusion de résine dans des préformes fibreuses de raidisseurs et semi cuisson desdits raidisseurs, suivant une méthode similaire à celle mise en œuvre pour la peau ;
• injection-infusion de résine dans des préformes de tôles planes et semi cuisson des tôles composites planes, puis formage desdites tôles planes afin d’obtenir des raidisseurs semi cuits par un procédé de formage de type thermoformage de tôles thermoplastiques (demande de brevet français ayant pour titre « Procédé de fabrication de pièces composites thermodurcissables par formage de préformes fibreuses injectées ou infusées » dont un des inventeurs est Patrice Lefébure).
- Une étape 210 d’installation des raidisseurs semi cuits obtenus à l’étape 200 dans un outillage adapté assurant le maintien des formes voulues des raidisseurs ;
- Une étape 110 de positionnement de la peau semi cuite au contact direct des raidisseurs installés dans l’outillage à l’étape 210, ledit outillage assurant également le maintien de la forme voulue de la peau ;
- Une étape 300 de cuisson complète hors autoclave de l’assemblage de la peau et des raidisseurs, obtenu à l’étape 110, jusqu’à un taux de polymérisation final souhaité pour la pièce structurale finie.
Selon ce premier mode de réalisation du procédé, l’ordre dans lequel sont citées les différentes étapes ne détermine nullement une séquence unique d’exécution dudit procédé, certaines étapes pouvant être interverties ou réalisées simultanément, et notamment les étapes 100 et 200.
L’étape 300 de cuisson complète de la structure LCM à l’état semi cuit est par exemple réalisée sous vide dans un four classique, le vide étant uniquement utilisé pour assurer un contact intime entre les éléments précuits à assembler et cuire.
Deuxième mode de réalisation : injection et semi cuisson de la peau avec les raidisseurs semi cuits, et post cuisson de la structure LCM
Le procédé de fabrication de la structure LCM selon cette deuxième approche comporte dans l’ordre les étapes suivantes :
- Une étape 400 d’installation dans un outillage d’injection adapté des raidisseurs semi cuits préalablement préparés ;
- Une étape 410 d’installation dans l’outillage d’injection d’une préforme fibreuse de la peau au contact de surfaces de liaison (semelles) des raidisseurs avec ladite peau ;
- Une étape 420 d’injection-infusion de résine dans la préforme fibreuse constitutive de la peau accompagnées d’une semi cuisson de ladite peau infusée-injectée, jusqu’à un taux de réticulation médian, à une température basse à moyenne ne modifiant pas sensiblement le taux de réticulation de la résine des raidisseurs. Au cours de cette étape, la résine de la peau forme des liaisons avec la résine des raidisseurs et est amenée à un taux de réticulation voisin de celui de la résine des raidisseurs. Ce qui permet d’obtenir une structure LCM raidie semi cuite ;
- Une étape 430 de cuisson complète hors autoclave de la structure LCM obtenue à l’étape 420 jusqu’à un taux de polymérisation final souhaité qui assure des propriétés mécaniques et thermomécaniques optimales.
L’étape de post cuisson peut être réalisée en dehors de l’outillage et sans nécessité de mise sous vide par ensachage par exemple. Dans ce cas la post cuisson est dite libre.
Le procédé de fabrication de pièces structurales LCM raidies ainsi décrit peut aisément être utilisé dans un site de production, grâce à l’implémentation d’une ligne d’assemblage spécifique, pour la fabrication de panneaux composites pour caissons de voilures, caissons centraux, panneaux de fuselages, dérives et structures similaires par exemple.
La ligne d’assemblage doit dans ce cas être fractionnée en plusieurs stations selon le mode de mise en œuvre du procédé.
En outre, la disposition des différentes stations dans la ligne d’assemblage ainsi que le cheminement des éléments structuraux à assembler doivent tenir compte de la géométrie, des dimensions et de la nature des matériaux desdits éléments structuraux.
Par exemple, une ligne d’assemblage adaptée à la mise en œuvre du procédé de l’invention comporte les stations suivantes :
- Une station d’outillage et de préparation, pour des opérations d’injection, de cuisson et de post cuisson ;
- Une station d’assemblage, qui dépend de la variante du procédé choisie, injection-cuisson ou cuisson simultanée, elle peut être :
• une station d’assemblage par injection, comprenant des dispositifs d’injection et de mise sous vide adaptés, et comporte également :
o une station auxiliaire de libre post cuisson ou • une station d’assemblage par cuisson simultanée de pièces précuites, comprenant un four de cuisson complète.
- Une station de contrôle non destructif NDT.
L’organisation de ces différentes stations doit permettre de maximiser le gain en temps. Le transport inter stations des pièces peut par exemple être automatisé.
L’incorporation ou l’adaptation d’une ligne d’assemblage, permettant la mise en œuvre du procédé de l’invention, dans un site de production quelconque de pièces en matériaux composites par des procédés LCM peut être réalisée de différentes façons suivants le savoir faire de base en processus industriels.
Une telle ligne d’assemblage est avantageuse en ce qu’elle permet un gain en productivité et en délais livraison, un gain en coûts d’outillage et en produits auxiliaires, une importante réduction de déchets, des économies grâce à la non utilisation d’autoclaves, une possibilité de sous-traiter certaines opérations préliminaires de fabrication des pièces, et globalement une réduction des coûts récurrents et non récurrents.

Claims (11)

1. Procédé de réalisation d’une pièce structurale (1 ) en matériau composite par injection-infusion d’une résine dans un renfort fibreux, la pièce structurale comportant un premier élément (10) et au moins un deuxième élément (20), caractérisé en ce que :
- chacun du premier élément et de l’au moins un deuxième élément est réalisé dans un état intermédiaire au cours d’une étape distincte d’injection-infusion associée à une cuisson partielle arrêtée à un taux de réticulation de la résine en dessous d’un point de gélification de ladite résine ;
- ledit premier élément et ledit au moins un deuxième élément étant maintenus dans un outillage, dans une position relative et dans une forme que lesdits éléments doivent avoir dans la pièce structurale à réaliser, pendant une phase de cuisson complète simultanée hors autoclave pour obtenir un taux de polymérisation souhaité de la résine dudit premier élément et de la résine dudit au moins un deuxième élément.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier élément et l’au moins un deuxième élément sont réalisés dans l’état intermédiaire séparément l’un de l’autre.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier élément, ou l’au moins un deuxième élément, est réalisé dans l’état intermédiaire au contact de l’au moins un deuxième élément, ou respectivement du premier élément, préalablement réalisé dans l’état intermédiaire.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’injection-infusion est associée à une cuisson partielle jusqu’à un taux de réticulation de la résine compris entre 25% et 50%.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la réalisation du premier élément et ou de l’au moins un deuxième élément dans l’état intermédiaire comporte une étape de fabrication par injection-infusion de résine dans une préforme d’une plaque plane, suivie d'une cuisson partielle de ladite plaque plane, et comporte une étape de découpage et ou de formage de ladite plaque plane aux dimensions et formes voulues pour ledit premier élément et ou ledit au moins un deuxième élément.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte dans l’ordre les étapes suivantes, la première étape et la deuxième étape pouvant être interverties ou simultanées, la troisième étape et la quatrième étape pouvant être interverties :
- une étape (100) d’injection-infusion de la résine dans une préforme du premier élément, suivie d’une cuisson partielle dudit premier élément ;
- une étape (200) d’injection-infusion de la résine dans une préforme de l’au moins un deuxième élément, suivie d’une cuisson partielle dudit au moins un deuxième élément ;
- une étape (210) d’installation dudit au moins un deuxième élément obtenu à l’étape précédente dans l’outillage ;
- une étape (110) de positionnement du premier élément précuit au contact de l’au moins un deuxième élément installé dans l’outillage à l’étape précédente ;
- une étape (300) de cuisson complète hors autoclave simultanée du premier élément et de l’au moins un deuxième élément positionnés à l’étape précédente jusqu’à un taux de polymérisation final souhaité de la résine de sorte à former des liaisons moléculaires entre les résines des éléments en contact
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étape de cuisson complète hors autoclave est réalisée sous vide dans un four conventionnel.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte dans l’ordre les étapes suivantes :
- une étape (400) d’installation de l’au moins un deuxième élément précuit préalablement préparé dans un outillage d’injection adapté ;
- une étape (410) d’installation d’une préforme du premier élément au contact de l’au moins un deuxième élément ;
- une étape (420) d’injection-infusion de résine dans la préforme du premier élément accompagnées d’une cuisson partielle dudit premier élément pour un assemblage direct du premier élément et de l’au moins un deuxième élément ;
- une étape (430) de cuisson complète hors autoclave de l’assemblage obtenu à l’étape précédente jusqu'à un taux de polymérisation final souhaité de la résine.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’étape de cuisson complète hors autoclave est réalisée sans mise sous vide et en dehors de l’outillage adapté.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier élément comporte une peau et l’au moins un deuxième élément comporte un élément raidissant.
11. Pièce structurale (1 ) en matériau composite comportant une peau (10) et au moins un élément raidissant (20), caractérisée en ce qu’elle est fabriquée par un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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