FR3081758A1

FR3081758A1 - Procede de fabrication par moulage par injection de resine d'une piece en materiau composite

Info

Publication number: FR3081758A1
Application number: FR1854574A
Authority: FR
Inventors: Christophe Ravey; Olivier Foussard; Adrien TOUZE; Romain Venat; Nicolas DROZ
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-12-06
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: FR3081758B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication par moulage par injection de résine d'une pièce en matériau composite comprenant : une étape de dégazage (E1) d'une résine époxy à durcisseur intégré ; une étape de préchauffage (E2) de la résine dégazée ; une étape d'injection (E3) de la résine préchauffée dans un moule contenant une préforme fibreuse ; une étape de gavage (E4) de la préforme par la résine à une pression de gavage supérieure ou égale à 12 bars et à une température inférieure à la température de cuisson de la résine ; une première étape de cuisson (E5) durant laquelle la résine est maintenue dans le moule à la pression de gavage ; une deuxième étape de cuisson (E6) durant laquelle la résine est maintenue à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine ; et une étape de démoulage (E7).

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de fabrication par moulage par injection de résine d'une pièce en matériau composite. L'invention se rapporte plus précisément à un procédé de fabrication par moulage par injection d'une résine époxy à durcisseur intégré, notamment d'une pièce pour l'aéronautique telle qu'une aube de soufflante.

Dans l'art antérieur, les aubes d'une soufflante de turbomachine aéronautique peuvent être fabriquées en alliage métallique ou en matériau composite, par exemple à matrice organique. Pour réduire la masse du moteur, améliorer son rendement et réduire ses émissions polluantes, il est connu d'utiliser des aubes en matériau composite. En effet, les matériaux composites présentent une tenue mécanique satisfaisante en comparaison avec les alliages métalliques utilisés précédemment, tout en étant bien plus légers que ces derniers.

Le procédé connu de moulage par injection de résine (« RTM » pour « Resin Transfer Molding) consiste à injecter une résine dans un moule contenant éventuellement une préforme poreuse, ou à injecter directement une résine chargée en matériau de renfort, puis à cuire la résine (polymérisation) pour obtenir une pièce moulée en matériau composite. On peut par exemple utiliser des résines thermodurcissables, et des préformes en fibres de carbone tissées.

Les procédés actuels permettent d'obtenir des pièces de forme complexe mais qui présentent encore des porosités résiduelles, ce qui peut altérer les propriétés mécaniques des pièces et leur tenue en utilisation.

Il existe donc un besoin pour un procédé de moulage d'une pièce en matériau composite qui permette d'obtenir des pièces présentant une porosité réduite.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un procédé de fabrication par moulage par injection de résine d'une pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant au moins :

a) une étape d'injection d'une résine époxy à durcisseur intégré dans un moule contenant une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce, le moule comprenant une vanne d'alimentation en résine et une vanne de purge ouvertes durant l'injection de façon à permettre le remplissage du moule par la résine,

b) une étape de gavage de la préforme par la résine, réalisée après l'étape d'injection, durant laquelle la vanne d'alimentation est ouverte et la vanne de purge est fermée, et la résine est maintenue dans le moule à une pression de gavage supérieure ou égale à 12 bars et à une température inférieure à une température de cuisson de la résine,

c) une première étape de cuisson durant laquelle la résine est maintenue dans le moule à la pression de gavage et portée à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine,

d) une deuxième étape de cuisson, réalisée après la première étape de cuisson, durant laquelle la vanne d'alimentation en résine est fermée et la résine est maintenue à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine, et

e) une étape de démoulage de la pièce obtenue.

Le procédé selon l'invention est remarquable notamment par la présence de l'étape de gavage et de la première étape de cuisson de la résine, durant lesquelles la préforme est gavée par la résine afin d'améliorer son imprégnation. En particulier, les inventeurs ont observé que la pression utilisée et maintenue lors de de l'étape de gavage et de la première étape de cuisson, ici supérieure ou égale à 12 bars, permet de réduire l'apparition de porosités résiduelles dans la pièce fabriquée.

Dans un exemple de réalisation, l'étape de gavage peut être réalisée immédiatement après que la résine atteint la vanne de purge du moule suite à l'étape d'injection. Cet enchaînement immédiat des étapes signifie notamment qu'il n'y a pas d'étape de purge du moule durant laquelle de la résine est éjectée du moule. En effet, les caractéristiques du procédé selon l'invention permettent de supprimer les étapes de purge qui entraînent une perte de résine, un allongement de la durée de l'étape d'injection, et donc une augmentation des coûts de production.

Dans un exemple de réalisation, la pression de gavage peut être supérieure ou égale à 14 bars, par exemple comprise entre 14 bars et 16 bars, par exemple être sensiblement égale à 15 bars.

Dans un exemple de réalisation, le procédé peut comprendre en outre une étape de dégazage de la résine réalisée avant l'étape d'injection, la résine étant, durant cette étape, à une température de dégazage comprise entre 45°C et 95°C. Cette gamme de température est inférieure aux températures qui sont utilisées usuellement pour dégazer une résine époxy à durcisseur intégré. Grâce à une telle gamme de température, la vitesse de polymérisation (ou cuisson) de la résine est réduite lors de l'étape de dégazage. Ainsi, la résine peut séjourner plus longtemps dans les circuits d'alimentation du moule et dans le réservoir où est effectué le dégazage, et il devient possible de réaliser plusieurs moulages de pièces successivement avec un même chargement de résine. En outre, une température plus basse réduit les risques de sécurité pour l'opérateur. Si la résine est à une température inférieure à 45°C, l'efficacité du dégazage peut être réduite et l'emploi d'un mélangeur plus difficile.

En particulier, la température de dégazage peut être avantageusement comprise entre 75°C et 90°C.

Dans un exemple de réalisation, la température à laquelle la résine est injectée dans le moule peut être comprise entre 155°C et 165°C.

Dans un exemple de réalisation, la température de la résine au cours de l'étape de gavage peut être comprise entre 155°C et 165°C. Cette gamme de température permet d'assurer une meilleure imprégnation de la préforme par la résine en réduisant sa viscosité, sans toutefois que la cuisson ne soit entamée.

Dans un exemple de réalisation, la température de cuisson de la résine peut être comprise entre 175°C et 185°C.

Dans un exemple de réalisation, la durée de l'étape de gavage peut être comprise entre 15 minutes et 25 minutes.

Dans un exemple de réalisation, la durée de la première étape de cuisson peut être comprise entre 30 minutes et 80 minutes.

Dans un exemple de réalisation, le débit de résine entrant dans le moule durant l'étape d'injection peut être compris entre 250 et 350 centimètres cubes par minute. Un tel débit permet de réduire la durée de l'étape d'injection et ainsi de simplifier le procédé de fabrication.

Dans un exemple de réalisation, le procédé peut comprendre en outre une étape de préchauffage de la résine, préalablement à l'étape d'injection, durant laquelle la résine est portée à une température d'injection.

Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse peut être obtenue par tissage tridimensionnel. En variante, elle peut être obtenue par d'autres techniques, comme l'empilement de tissus bidimensionnels, le drapage, etc.

Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse peut comprendre des fibres de carbone.

L'invention vise aussi un procédé tel que celui décrit ci-avant, dans lequel on fabrique une aube de soufflante de turbomachine aéronautique.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 montre schématiquement un exemple d'installation permettant de mettre en œuvre un procédé selon l'invention,

- la figure 2 est un ordinogramme montrant les différentes étapes d'un procédé selon l'invention,

- la figure 3 est un graphique montrant un exemple de consignes de température en fonction du temps dans les différentes parties de l'installation de la figure 1,

- la figure 4 est un graphique montrant un exemple de consigne de pression dans le moule en fonction du temps, et

- la figure 5 illustre schématiquement une aube de soufflante de turbomachine aéronautique pouvant être obtenue par un procédé selon l'invention.

Description détaillée de l'invention

Un exemple schématique d'installation 1 pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention dans lequel on fabrique une aube de soufflante 100 telle que celle illustrée sur la figure 5, va être décrit en lien avec la figure 1. L'installation 1 peut comprendre un cylindre à piston 2, un réchauffeur 4, et un moule 6. Le cylindre 2 possède une sortie 8 en communication fluidique avec une entrée 10 du réchauffeur 4, et le réchauffeur 4 comprend une sortie 12 en communication fluidique avec une vanne d'alimentation en résine 14 du moule 6. Le moule 6 comprend en outre une vanne de purge 16 ou vanne de sortie. L'installation peut en outre comprendre un capteur de pression 18 pour mesurer la pression de la résine dans le moule 6. Le cylindre 2, le réchauffeur 4 et le moule 6 sont reliés respectivement par l'intermédiaire de flexibles 2a et 4a chauffés dans lesquels la résine peut circuler.

Le cylindre 2 a pour fonction de stocker la résine, de permettre son dégazage (étape El), puis de la mettre en pression pour la faire circuler dans l'installation 1. Le cylindre 2 peut être commandé pour tenir une pression et/ou un débit prédéterminé dans le circuit. Le cylindre 2 est muni de moyens (non représentés) pour contrôler la température de la résine qu'il contient et la réguler. Pour dégazer la résine, le cylindre 2 peut être mis sous vide. Le cylindre 2 peut en outre comprendre un mélangeur (non représenté) qui permet d'homogénéiser la résine au cours de son dégazage, et pendant les autres étapes du procédé.

Le réchauffeur 4 peut prendre la forme d'un échangeur thermique permettant de préchauffer la résine provenant du cylindre 2 avant qu'elle n'atteigne le moule 6.

Le moule 6 comprend ici deux parties 6a et 6b formant moule et contre-moule définissant une cavité fermée dans laquelle une préforme fibreuse 20 est introduite afin de former une matrice dans sa porosité.

Dans l'exemple illustré ici, la préforme fibreuse 20 est une préforme fibreuse d'aube de soufflante 100 de turbomachine aéronautique. Le moule 6 comprend généralement des moyens pour réguler la température de la cavité, par exemple par circulation d'un liquide réchauffé dans des canaux à l'intérieur des parties 6a et 6b du moule. Dans l'exemple illustré, un capteur de pression 18 est également présent pour obtenir la pression de la résine à l'intérieur du moule 6, afin de permettre une régulation de cette dernière par le cylindre 2.

Un exemple de procédé selon l'invention va à présent être décrit en lien avec l'ordinogramme de la figure 2 et les graphiques des figures 3 et 4. Le graphique de la figure 3 montre la courbe de consigne de température pour le cylindre 2 (Te), pour le réchauffeur 4 (Tr) et pour le moule 6 (Tm). Le graphique de la figure 4 montre la consigne de pression pour la résine présente dans le moule 6.

On fournit d'abord une résine époxy à durcisseur intégré, qui était entreposée à une température de stockage permettant sa conservation, par exemple dans un congélateur. Dans cet exemple, on utilise la résine commercialisée sous la dénomination « CYCOM® PR520 » par la société CYTEC.

Dans une première étape El on procède au dégazage de la résine. Pour cela, la résine est introduite dans le cylindre 2 qui est porté à une température de dégazage de l'ordre de 85°C et dans lequel le vide est fait. Durant cette étape, un mélangeur mécanique présent dans le cylindre 2 peut remuer la résine pour assurer un dégazage homogène. L'étape El peut durer entre 10 et 15 minutes. On notera que, dans toutes les étapes du procédé, le vide est fait au niveau de la vanne de purge 16 du moule 6.

La résine est ensuite, dans une étape E2, réchauffée par le réchauffeur 4. Pour cela, elle chemine d'abord dans le flexible 2a présent entre le cylindre 2 et le réchauffeur 4, et dont la température peut être de l'ordre de 100°C. La consigne de température du cylindre 2 peut être abaissée à 80°C une fois que le dégazage est terminé, afin d'augmenter la durée de conservation de la résine dans le cylindre 2. Le réchauffeur 4 est configuré pour porter la résine à une température d'injection, c'est-à-dire à la température à laquelle elle sera ultérieurement injectée dans le moule 6. Dans cet exemple, la température d'injection, correspondant à la consigne de température du réchauffeur 4, est de l'ordre de 162°C. Une fois que la résine a traversé le réchauffeur 4, elle chemine vers le moule 6 à travers le flexible 4a chauffé à une température de l'ordre de 150°C. Lorsque la résine traverse le flexible 4a, sa température reste sensiblement égale à la température d'injection. La résine à la température d'injection arrive ensuite au niveau de la vanne d'entrée du moule 6.

Puis, dans une étape E3, la résine est injectée dans le moule 6 afin de le remplir. Une préforme fibreuse 20 destinée à former le renfort fibreux de la pièce a été préalablement disposée dans la cavité du moule

6. La préforme fibreuse 20 peut être une préforme obtenue par tissage de fibres de carbone, ou par d'autres méthodes, de façon connue en soi. Durant cette étape, le moule 6 est porté à une température de l'ordre de la température d'injection. Le cylindre 6 est configuré pour que la résine soit injectée dans le moule à une pression de l'ordre de 8 bars avec un débit de 300 cm³/minute. Durant cette étape, la vanne d'alimentation 14 et la vanne de purge 16 reliée au vide, sont ouvertes afin que la résine remplisse progressivement le moule et imprègne la préforme fibreuse 20. Dès que la résine atteint la vanne de purge 16, la vanne de purge 16 est fermée.

Dans une étape E4, préférentiellement réalisée immédiatement après l'étape E3 dès que la résine a rempli le moule et qu'elle a atteint la vanne de purge 16, on réalise un gavage de la préforme 20 par la résine. Durant cette étape, le cylindre 2 est configuré pour que la pression de la résine dans le moule 6 soit à une pression de gavage au moins égale à 12 bars. Dans l'exemple illustré, la pression de gavage est de l'ordre de 15 bars. La température Tm du moule 6 est ici inchangée par rapport à l'étape E3. La température Tr du réchauffeur 4 est abaissée à 110°C au cours de l'étape E4. La température du flexible 4a reliant le réchauffeur 4 au moule 6 est abaissée également à 110°C. Dans l'exemple illustré, l'étape E4 dure 20 minutes.

Dans une étape E5, ou première étape de cuisson, la vanne d'alimentation 14 du moule 6 est toujours ouverte, on maintient la pression de la résine dans le moule 6 à la pression de gavage et on augmente la température du moule 6 jusqu'à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine. Dans cet exemple, la température de cuisson de la résine est de l'ordre de 180°C. On peut voir sur la figure 3 que la température du moule 6 est, durant cette étape, d'abord augmentée jusqu'à une température dépassant les 200°C puis abaissée à la température de cuisson. Cette augmentation soudaine de la température permet de favoriser l'amorçage la cuisson de la résine avec son durcisseur. Lorsque la température du moule 6 est ensuite stabilisée à la température de cuisson, le palier de polymérisation P est débuté. Durant cette étape E5, la température du piston 2 TC et du réchauffeur 4 TR sont maintenues constantes. Dans l'exemple illustré, l'étape E5 dure 75 minutes.

Ces étapes E4 et E5 réalisées à la pression de gavage permettent d'améliorer l'imprégnation de la préforme 20 par la résine pour obtenir une pièce moulée à porosités résiduelles réduites.

Puis, dans une étape E6, ou deuxième étape de cuisson, la vanne d'alimentation du moule 6 est fermée et la température du moule 6 est maintenue à une température de l'ordre de la température de cuisson (180°C) pour continuer le palier de polymérisation P qui a été amorcé à l'étape précédente. La durée totale du palier de polymérisation est, dans cet exemple, de 120 minutes, et pourrait être d'au plus 180 minutes. Le but de cette étape est de polymériser complètement la résine présente dans le moule pour obtenir, après refroidissement et démoulage (étape E7), la pièce finale.

Le tableau 1 suivant montre le nombre (surestimé) de porosités détectées et de volumes de 3*3*5mm présentant au moins 3% en volume de porosités dans une aube 100 obtenue par un procédé de l'art antérieur et dans une aube 100 obtenue par l'exemple de procédé selon l'invention détaillé ci-avant. Les porosités ont été détectée par tomographie à rayons X. Le procédé de l'art antérieur comprend une imprégnation de la préforme en fibres de carbone tissées dans un moule par une résine identique à l'exemple selon l'invention, réalisée au moyen d'une étape d'injection et de plusieurs étapes de gavage à des pressions de 8,6 bars et 11 bars.

Procédé	Art antérieur	Exemple invention
Nombre total de porosités	5214	18
Nombre de volumes de 335mm contenant plus de 3% en volume de porosités	138	0

Tableau 1

L'invention a été décrite en lien avec la fabrication d'une aube 100 5 dans une installation 1 particulière, mais pourrait bien entendu être mise en œuvre avec d'autres moyens et pour fabriquer d'autres types de pièces, notamment pour l'aéronautique. Dans tout l'exposé, l'expression « compris entre ... et... » doit être entendue comme incluant les bornes.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication par moulage par injection de résine d'une pièce (100) en matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, le procédé comprenant au moins :

a) une étape d'injection (E3) d'une résine époxy à durcisseur intégré dans un moule (6) contenant une préforme fibreuse (20) destinée à former le renfort fibreux de la pièce, le moule comprenant une vanne d'alimentation (14) en résine et une vanne de purge (16) ouvertes durant l'injection de façon à permettre le remplissage du moule par la résine,

b) une étape de gavage (E4) de la préforme par la résine, réalisée après l'étape d'injection, durant laquelle la vanne d'alimentation est ouverte et la vanne de purge est fermée, et la résine est maintenue dans le moule à une pression de gavage supérieure ou égale à 12 bars et à une température inférieure à une température de cuisson de la résine,

c) une première étape de cuisson (E5) durant laquelle la résine est maintenue dans le moule à la pression de gavage et portée à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine,

d) une deuxième étape de cuisson (E6), réalisée après la première étape de cuisson, durant laquelle la vanne d'alimentation en résine est fermée et la résine est maintenue à une température supérieure ou égale à la température de cuisson de la résine, et

e) une étape de démoulage (E7) de la pièce obtenue.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de gavage (E4) est réalisée immédiatement après que la résine atteint la vanne de purge (16) du moule suite à l'étape d'injection (E3).
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la pression de gavage est supérieure ou égale à 14 bars.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre une étape de dégazage (El) de la résine réalisée avant l'étape d'injection (E3), la résine étant, durant cette étape, à une température de dégazage comprise entre 45°C et 95°C.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la température de dégazage est comprise entre 75°C et 90°C.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la température à laquelle la résine est injectée dans le moule (6) est comprise entre 155°C et 165°C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la température de la résine au cours de l'étape de gavage (E4) est comprise entre 155°C et 165°C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la température de cuisson de la résine est comprise entre 175°C et 185°C.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la durée de l'étape de gavage (E4) est comprise entre 15 minutes et 25 minutes.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la durée de la première étape de cuisson (E5) est comprise entre 30 minutes et 80 minutes.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le débit de résine entrant dans le moule (6) durant l'étape d'injection (E3) est compris entre 250 et 350 centimètres cubes par minute.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la préforme fibreuse (20) est obtenue par tissage tridimensionnel.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la préforme fibreuse (20) comprend des fibres de carbone.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel on fabrique une aube de soufflante (100) de turbomachine aéronautique.