FR3078916A1 - Profiles multipartites thermoplastiques renforces constitues par assemblage de profiles pultrudes cavitaires - Google Patents

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Abstract

Profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, assemblé par thermosoudage de profilés thermoplastiques pultrudés mono- ou multi-cavitaires (11), et disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur, puis recevant une peau (92) par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par des plats d'interfaçage (22) (- préférés aux cornières pour éviter les protubérances -), thermoplastiques à fibres multi-directionnelles et thermo-estampés , de préférence issus de broyats de recyclage de produits thermoplastiques à fibres longues. Le thermosoudage minimise les collages. La géométries des sections desdits profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11) et leurs longueurs différentielles permettent des emboîtements de pièces alaires à surfaces portantes, et remplacent l'effilement continu desdites pièces alaires par un effilement discontinu, moins onéreux à fabriquer. Les cavités peuvent être occupées par des tubes fabriqués par enroulement filamentaire. L'invention s'applique en particulier aux surfaces portantes fabriquées jusque-là directement avec effilement continu, dans les secteurs nautisme/aéronautique/éolien.

Description

INTRODUCTION
L'industrie et les Organisations de Protection de l'Environnement sont en demande de structures, de profilés et de pièces en Matériaux Composites aussi solides que l'acier, mais plus légers, et en même temps biodégradable ou recyclables avec retour possible desdits matériaux au premier usage.
Si l'emploi de matériaux composites est banalisé pour des pièces que l'on veut à la fois solides et légères, en revanche :
* l'emploi de composites thermodurcissables est toujours majoritaire, bien que ces derniers ne soient pas recyclables.
* certaines techniques de fabrication de pièces composites sont efficaces, mais manquent encore de productivité.
ETAT DE L'ART
Certains procédés de fabrication de composites sont complètement automatisés et sont adaptés aux productions en grande série, comme:
* l'enroulement filamentaire, où la pièce à consolider tourne, une technique de fabrication en discontinu, destinée à fabriquer des profilés à section ronde, qui consiste à enrouler des fibres longues imprégnées de résine autour d'un mandrin jouant le rôle d'un moule intérieur, * l'enroulement filamentaire où la pièce à consolider tourne et où des robots contrôlent sa consolidation par des fibres longues, une technique de fabrication en discontinu, où la pièce ne doit pas forcément respecter une forme cylindrique, * le placement de fibres avec des robots à placement de fibres longues une technique de fabrication en discontinu, où des robots appliquent des fibres longues sur une pièce fixe, une technique où la pièce ne doit pas respecter une forme cylindrique, * la pultrusion, une technique de fabrication en continu, destinée à créer des profilés de section quelconque et constante, qui consiste à imprégner de résine des fibres longues par passage dans un bain puis à les tirer à travers une longue filière chauffée qui contrôle la teneur en résine et détermine la forme de la section, le passage dans la filière permettant d'écraser les fuseaux de mèches pré-imprégnées et d'obtenir une imprégnation régulière de la résine en éliminant l'air occlus dans lesdites fibres et à leur jonction, et donc sans les défauts dûs à une porosité ou un excès de résine, le renfort (tissu, mat, fibres) étant conditionné en bobine.
Leurs principales limitations, outre les contraintes sur la géométrie des pièces, portent sur les directions des renforts ainsi mis en place.
En effet, la pultrusion installe des renforts axiaux (ce qui conduit à des comportements fortement anisotropes, avec des propriétés mécaniques satisfaisantes en résistance à la flexion, mais non-optimales en ce qui concerne la résistance au fluage et à la compression), tandis que l'enroulement filamentaire installe des renforts obliques ou circonférentiels.
Le choix de l'un de ces procédés dépend de l'application visée.
Par exemple, un même profilé cylindrique pourrait être réalisé :
• Par pultrusion, s'il est principalement sollicité en traction ou en flexion (poutres...), • Plutôt par enroulement filamentaire, s'il est principalement soumis à des sollicitations latérales ou à une pression interne (réservoirs, tuyaux...).
Pour des applications spécifiques, le pull-winding consiste à effectuer un enroulement filamentaire autour d'une âme obtenue par pultrusion et permet donc d'obtenir deux directions de renforts.
L'invention cherche à maximiser l'emploi de ces techniques pour certaines applications de fabrication de pièces longues, où l'infusion sous vide est une des techniques concourant à l'élaboration desdites pièces longues, la pultrusion pouvant être une des autres techniques concourant à cette élaboration.
L'avantage de l'infusion sous vide est son aptitude à s'adapter à des formes variées.
En revanche, ses cadences de fabrication sont faibles, et la finition d'une pièce nécessite souvent des collages.
L'invention met aussi à profit l'existence de résines thermoplastiques à faible viscosité, comme la résine à base de Methylmethacrylate (MMA) de la société Arkema.
Cette résine thermoplastique à faible viscosité est obtenue par des polymérisations différentielles du monomère methylméthacrylate MMA.
Ladite résine est décrite entre autres dans les brevets de la société ARKEMA WO2013056845A2, W02014013028A1, WO2014135815, WO2014135816 et WO 2017121750 Al.
Elle est commercialisée sous le nom de résine Elium avec fibres, catalyseurs, additifs, activateurs, monomères de MMA, oligomères de MMA et homo-ou co-polymères de MMA.
La faible viscosité permet l'utilisation de techniques (pultrusion, infusion sous vide, etc) jusqu'ici réservée aux composites thermodurcissables dont les résines sont par nature à faible viscosité
DESCRIPTION
Selon l'invention, un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé est assemblé par thermosoudage de profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11), mono-cavitaires ou multi-cavitaires, et disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur, puis reçoit une peau (92) par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par des plats d'interfaçage (22), thermoplastiques à fibres multi-directionnelles et thermo-estampés.
Le thermosoudage minimise les collages.
La peau (92) cumule les rôles de résistance à la compression, à la flexion à la torsion et au cisaillement.
Les plats d'interfaçage (22) sont des plats et non pas des cornières pour éviter les protubérances de surface dudit profilé multi-partite thermoplastique (182).
L'invention s'applique en particulier aux surfaces portantes dans les secteurs nautisme/aéronautique/éolien mais concerne plus généralement le secteur mécanique..
Selon une version de l'invention, la géométrie des sections desdits profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11) et leurs longueurs différentielles permettent des emboîtements de pièces alaires à surfaces portantes, et remplace l'effilement continu desdites pièces alaires par un effilement discontinu.
Lesdites pièces alaires gardent des qualités aérodynamiques et sont moins onéreuses à fabriquer. Ledit effilement discontinu peut être adouci par des carénages supplémentaires, qui peuvent être fabriqués avec d'autres techniques de fabrication de composites.
Cette version de l'invention s'applique en particulier aux surfaces portantes fabriquées jusque-là directement avec effilement continu, dans les secteurs nautisme/aéronautique/éolien.
Selon une version de l'invention, lesdits plats d'interfaçage (22) thermoplastiques à fibres multi-directionnelles thermo-estampés sont issus de broyats de recyclage de produits thermoplastiques à fibres longues ou continues, selon l'Etat de l'Art du CETIM-CERMAT au Salon JEC de Paris en mars 2017 exposé par Frédéric Ruch : « Thermosaïc®, a Patented Technology for Thermoplastic Composite Materials Recycling » .
Selon une version de l'invention, les cavités sont occupées par des tubes en composite thermoplastique fabriqués par enroulement filamentaire de manière à constituer un renforcement thermosoudable supplémentaire à fibres multi-directionnelles..
FIGURES
La Figure 1 montre une section de surface portante dans les secteurs nautisme (mâts profilés)/aéronautique (ailes)/éolien (pâles), où les pièces adhésives et collages sont maximisés.
Les longerons peuvent être des profilés pultrudés, et assurent la résistance longitudinale à la flexion, tandis que les coiffes des longerons ont des fibres transversales et assurent la résistance transversale à la flexion. La peau cumule les rôles de résistance à la compression, à la flexion à la torsion et au cisaillement.
Les Figures 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 7A et 7B montrent que, pour fabriquer ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé de l'invention, le thermosoudage minimise les collages.
Ces figures désignent la peau (92) comme un organe qui cumule les rôles de résistance à la compression, à la flexion à la torsion et au cisaillement.
Pour toutes ces figures, il est signalé que les plats d'interfaçage (22) sont des plats et non pas des cornières pour éviter les protubérances de surface dudit profilé multi-partite thermoplastique (182). Lesdits plats d'interfaçage (22) thermoplastiques à fibres multi-directionnellesthermo-estampés peuvent être issus de broyats de recyclage de produits thermoplastiques à fibres longues ou continues.
Les Figures 2A, 2B et 2C montrent un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, assemblé par thermosoudage de deux profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) et disposés côte à côte sur leur longueur.
Ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) reçoit une peau (92) à fibres multi-directionnelles. par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par un plat d'interfaçage (22), thermoplastique à fibres multi-directionnelles et thermo-estampé.
Les Figures 3A, 3B et 3C montrent un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, assemblé par thermosoudage de quatre profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) et disposés côte à côte sur leur longueur.
Ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) reçoit une peau (92) à fibres multi-directionnelles. par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par trois plats d'interfaçages (22), thermoplastiques à fibres multi-directionnelles et thermo-estampés.
Les Figures 4A, 4B et 4C montrent un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, assemblé par thermosoudage de trois profilés thermoplastiques pultrudés multi-cavitaires (11) et disposés côte à côte sur leur longueur.
Ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) reçoit une peau (92) par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par deux plats d'interfaçages (22), thermoplastiques à fibres multi-directionnelles et thermo-estampés.
Sur la Figure 4C, les cavités sont occupées par des tubes en composite thermoplastique fabriqués par enroulement filamentaire, de manière à constituer un renforcement thermosoudable supplémentaire à fibres multi-directionnelles.
Les Figures 5A, 5B et 5C montrent un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, configuré en pièce alaire à fonction de surface portante, assemblé par thermosoudage de cinq profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) et disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur.
Ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) reçoit une peau (92) à fibres multi-directionnelles par enroulement filamentaire ou par placement de fibres, le thermosoudage desdits profilés étant interfacé par un plat d'interfaçage (22), thermoplastique à fibres multi-directionnelles et thermo-estampé.
Parmi les trois profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) emboîtés, l'un est configuré en pièce alaire à fonction de surface portante, et a le même profil que ledit profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé configuré en pièce alaire.
Ici pour exemple, le profil représenté est un profil supercritique, connu dans l'Etat de l'Art des aérodynamiciens de l'aéronautique pour ses propriétés particulières contre le décrochage en vol transsonique.
Les Figures 6A, 6B et 6C reprennent les éléments de la Figure 5, c'est-à-dire représentent un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, configuré en pièce alaire à fonction de surface portante, assemblé par thermosoudage de cinq profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) et disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur.
Les Figures 6 A et 6B sont en perspective, mais selon un schéma amputé des extrémités.
Parmi les trois profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11) emboîtés, l'un est configuré en pièce alaire à fonction de surface portante, et est plus long que les autres profilés thermoplastiques pultrudés mono-cavitaires (11).
Cette disposition apporte un effilement discontinu qui remplace l'effilement continu habituellement pratiqué dans l'Etat de l'Art sur des pièces alaires à surface portante.
Lesdites pièces alaires gardent des qualités aérodynamiques et sont moins onéreuses à fabriquer. Ledit effilement discontinu peut être adouci par des carénages supplémentaires, non représentés. Ces carénages peuvent être fabriqués par d'autres techniques de fabrication de composites. Cette version de l'invention s'applique en particulier aux surfaces portantes fabriquées jusque-là directement avec effilement continu, dans les secteurs nautisme/aéronautique/éolien
Les Figures 7A et 7B reprennent les éléments des Figures 5 et 6, et représente, selon un schéma amputé des extrémités, un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, configuré en aile à effilement discontinu et accroché à un fuselage d'avion.
Ledit effilement discontinu peut être adouci par des carénages supplémentaires, non représentés.
Les Figures 8A, 8B et 8C représentent en vue de dessus un avion avec deux ailes, une en position basse, et une deuxième en position haute, laquelle est d'une part dépourvue de gouvernes de vol et d'éléments mobiles d'ailes, et d'autre part, ancrée sur le dessus du fuselage.
L'architecture de ce type de voilure est désigné dans l'Etat de l'Art par « ailes non-planaires » ou « ailes fermées », ou en anglais par «box-wings » ou « non-planar-wings » ou »Prandtl wings » ou «closed-wings ».
Ici, dans l'invention, chaque demi-aile est constituée d'un profilé multi-partite thermoplastique (182) renforcé, à effilement discontinu et identique à ceux figurés sur les Figures 5,6 et 7.
Cette deuxième aile est peu onéreuse à fabriquer.
Ledit effilement discontinu peut être adouci par des carénages supplémentaires, non représentés, qui peuvent être fabriqués avec d'autres techniques de fabrication de composites.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1) Procédé de fabrication d'un profilé multipartite thermoplastique renforcé (182), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes, * assemblage de profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11), mono-cavitaires ou multi-cavitaires, disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur, * ajout d'une peau par enroulement filamentaire ou par placement de fibres.
  2. 2) Procédé de fabrication d'un profilé multipartite thermoplastique renforcé (182) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte l'étape intermédiaire selon laquelle des plats d'interfaçage (22) thermoplastiques à fibres multidirectionnelles font la jointure entre deux profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11).
  3. 3) Procédé de fabrication d'un profilé multipartite thermoplastique renforcé (182), selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte l'étape intermédiaire selon laquelle lesdits profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11) sont assemblés par thermosoudage. -
  4. 4) Profilé multipartite thermoplastique renforcé (82) obtenu par le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est constitué de profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11), mono-cavitaires ou multicavitaires, disposés côte à côte ou emboîtés sur leur longueur, le profilé étant enrobé d'une peau (92) obtenue à partir d'un enroulement filamentaire ou par placement de fibres.
  5. 5) Profilé selon la revendication 4, caractérisé en ce que des plats d'interfaçage (22) thermoplastiques à fibres multidirectionnelles font la jointure entre deux profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11),
  6. 6) Profilé selon la revendication 5, caractérisés en ce que lesdits plats d'interfaçage (22) sont thermo-estampés.
  7. 7) Profilé selon la revendication 6, caractérisés en ce que lesdits plats d'interfaçage (22) thermo-estampés sont issus de broyats de recyclage de produits thermoplastiques à fibres longues ou continues.
  8. 8) Profilé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits plats d'interfaçage (22) à fibres multidirectionnelles et lesdits profilés thermoplastiques pultrudés cavitaires (11) sont thermosoudés.
  9. 9) Profilé selon la revendication 4, caractérisée en ce que les cavités sont occupées par des tubes en composite thermoplastique fabriqués par enroulement filamentaire.
  10. 10) Utilisation du procédé selon la revendication 1 pour produire des pièces alaires à surface portante par un effilement discontinu aux surfaces portantes dans les secteurs nautisme/aéronautique/éolien.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0604298A1 (fr) * 1992-12-23 1994-06-29 Eurocopter France Pale en composite thermoplastique, notamment pour rotor arrière caréné d'hélicoptère, et son procédé de fabrication
EP1878845A2 (fr) * 2006-07-04 2008-01-16 Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG Poutre profilée
DE102008008200A1 (de) * 2008-01-31 2009-08-06 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verbundstruktur sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

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