FR3103409A1 - Structure tricotee pour renforcement de materiaux composites. - Google Patents

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Abstract

L'objet de l'invention est une structure tricotée pour le renforcement de produits composites, qui présente au moins deux peaux, reliées par des fibres de liaisons; la densité des fibres de liaison étant comprise entre 1 liaison pour 40 mailles et une liaison pour 10.000 mailles. L’invention concerne également le produit composite obtenu comportant entre 55 et 85% en volume de matière polymérique et entre 15 et 45% en volume de fibres de renfort. L’invention concerne également le procédé de fabrication d’un produit composite.

Description

STRUCTURE TRICOTEE POUR RENFORCEMENT DE MATERIAUX COMPOSITES.
L’invention concerne le domaine du renforcement de matière composite ou matériaux composites. Par matériaux composites, on entend un produit comportant une matrice constituée d’une matière polymérique, en particulier thermoplastique ou thermodurcissable, cette matrice étant renforcée par un matériau ayant un point de fusion plus élevé que le point de fusion de la matière polymérique. On parle généralement de FRP pour «Fiber reinforced plastic».
Les renforts peuvent être obtenus de différentes manières: par l’ajout de fibres minérales dispersées dans la matrice, par l’utilisation d’une armature en acier ou matériau de synthèse, par l’utilisation d’un tissu en fibres de renfort, par l’utilisation de non-tissés ou de mats, ou autre produits obtenus par des procédés textiles.
Les renforts en tissus présentent une structure plane et sont composés de fils de trame et de fils de chaine disposés perpendiculairement. Leur fabrication nécessite l’utilisation d’une bobine distincte pour chaque fil de chaine.
Plus récemment, est apparu l’utilisation de renforts tricotés. Par renforts tricotés, on entend un produit obtenu généralement d’un fil continu où le fil forme des mailles entrelacées. Un fil peut être de type monofilament ou multifilaments. Le multifilament peut être un roving (c’est-à-dire ensemble de filaments continus parallèles assemblés sans torsion), un filé de fibres (c’est-à-dire un ensemble de fibres courtes discontinues assemblées par torsion). Un fil peut également être un assemblage de plusieurs fils ou filaments de matières différentes. Cet assemblage peut se faire par retordage, guipage… Il est donc possible de réaliser un fil comportant de la matière polymérique et de la matière de renfort. Par exemple, il est possible de réaliser l’assemblage d’un fil de renfort de type aramide, carbone, verre… et d’un fil thermoplastique (Polypropylène, Polycarbonate, Polyétherimide (PEI)…). Ce type de fil est alors appelé fil mixte.
Par rapport aux renforts tissés, les renforts tricotés présentent de nombreux avantages.
Les renforts tissés préimprégnés de matière polymérique par exemple gélifiée, généralement appelés «prépreg», doivent être manipulés délicatement. Ils sont collants lorsque le film de protection est enlevé. Ils ne se conservent que durant une période limitée à température ambiante.
Le drapage de renforts tissés sur un moule est une opération longue est délicate. Elle nécessite l’utilisation de plusieurs couches de «prépeg» qui doivent être découpées et disposées judicieusement suivant la forme du moule pour assurer une épaisseur suffisante tout en évitant trop de recouvrement.
La découpe des tissus préimprégnés implique des chutes de produit pouvant représenter 30% de matière. De plus, la réalisation d’un tissu nécessite des centaines de bobines.
La réalisation d’un tricot traditionnel ne nécessite, en général, qu’une bobine de fil pour le fil de maille. Différentes techniques de tricotage permettent d’obtenir des tricots formant une pièce unitaire, en 3D, sans couture. Les techniques de tricotage connues permettent d’effectuer un tricotage circulaire ou un tricotage rectiligne.
On distingue les méthodes de tricotage trame («weft knitting») et les méthodes de tricotage chaîne («warp knitting»).
En tricotage trame, (aussi appelé maille cueillie), le fil suit de façon privilégiée le sens des rangées (sens trame par analogie au tissu). Chaque boucle d’une même rangée est tricotée l’une après l’autre. Chaque rangée est tricotée l’une après l’autre. Un seul fil peut permettre de réaliser l’intégralité du tricot. Chaque aiguille étant contrôlée individuellement, il est possible de réaliser une forme 3D complexe lors du tricotage.
En tricotage chaîne (aussi appelé maille jetée), le fil suit de façon privilégiée le sens des colonnes (sens chaine par analogie au tissu). Toutes les boucles d’une même rangée sont tricotées en même temps. Chaque rangée est tricotée l’une après l’autre. Il faut un fil par colonne de maille. Les aiguilles sont liées en différents groupes. Il est possible de contrôler individuellement les groupes mais pas les aiguilles les constituant. Les tricots réalisés sont plats. De l’épaisseur est néanmoins possible mais pas de formes 3D complexes).
Dans la technologie de tricotage trame, le support dans lequel coulissent les aiguilles à tricoter est appelé fonture. Dans le cas, d’une machine utilisant 2 fontures, par convention, la fonture la plus proche de l’utilisateur réalise des mailles avant. L’autre forme les mailles arrière. Les machines modernes autorisant une sélection individuelle des aiguilles permettent de tricoter sur une seule fonture à la fois (tricotage simple fonture) ou sur les deux fontures simultanément (tricotage double fonture). Il est possible d’utiliser les deux fontures alternativement permettant de réaliser notamment des tubes ou des panneaux / peaux distincts selon la liaison entre eux. On parlera alors néanmoins de tricot simple fonture.
La demande WO2013/025115 décrit un produit composite comportant un renfort tricoté tridimensionnel, constitué de deux feuilles indépendantes connectées par des fibres de connexion («cross-threads»). La densité des fibres de connexion («connecting treads») dans la structure de renfort peut varier de 10/cm2à 500/cm2.
La densité de la structure de renfort peut varier entre 1 et 1000 dtex. Ce renfort offre une grande résistance à la compression.
Il existe un besoin de fournir des structures de renfort pour réaliser des produits en matière composite de forme complexe. En particulier, il existe un besoin de fournir des renforts hautement compressibles.
Les inventeurs ont découvert qu’il est possible de tricoter par une technique de tricotage particulière, une structure qui présente une très forte compressibilité.
La présente invention concerne une structure tricotée pour le renforcement de produits composites, qui présente au moins deux peaux, une peau avant et une peau arrière, les au moins deux peaux étant reliées par des fibres de liaisons, ponctuelles; la densité de liaison étant comprise entre 1 liaison pour 40 mailles et une liaison pour 10.000 mailles.
La présente invention concerne également un produit composite comportant une matrice de résine et ladite structure de renfort tricotée.
La structure tricotée est par exemple réalisée à partir d’un fil en une matière de renfort choisie parmi le verre, le carbone, le basalte, le quartz, le para-aramide, les méta-aramide, le polypropylène, le polyamide, le polyéthylène téréphtalate, le polyester, le lin, le chanvre, ainsi que les matières thermoplastiques telles que le poly ether imide, le polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK), le Polysulfure de phénylène (PPS); La nature sera choisie en fonction de son point de fusion qui doit être supérieur au point de fusion de la résine constituant la matrice du produit composite final.
Selon un mode particulier, la structure tricotée comporte également une peau intermédiaire.
Avantageusement, la densité de liaison de la structure est comprise entre 1 liaison pour 100 mailles et une liaison pour 5.000 mailles, de préférence entre 1 liaison pour 200 mailles et une liaison pour 1.000 mailles.
Selon un mode particulier de réalisation, la structure est obtenue par une technique de tricotage trame. Il peut s’agir d’une méthode de tricotage trame rectiligne ou circulaire, de préférence la technique de tricotage trame rectiligne est utilisée. Cette technique a l’avantage de permettre plus facilement d’obtenir des formes 3D complexes, qu’avec la technique de tricotage circulaire.
Avantageusement, la structure présente une structure tridimensionnelle adaptée à la forme du produit composite final.
Le produit composite renforcé par une structure tricotée comportant en particulier entre 50 et 85% en volume de matière polymérique, de manière préférée entre 55 et 80%, et de manière encore préférée entre 60 et 75% et entre 15 et 50 % en volume de fibres de renfort, de préférence entre 20 et 45 %, de manière encore préférée entre 25 et 40%.Selon un exemple particulier, la matière polymérique est choisie parmi les matières thermoplastiques telles que polycarbonate, le polypropylène, le polyamide, le polyuréthane, le PMMA, le polyéthylène téréphtalate basse densité, le poly éther imide, le polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK) et les matières thermodurcissables tels que le polyester et l’époxy.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un produit composite, qui comporte les étapes suivantes:
– fabrication d’une structure tricotée selon les caractéristiques ci-dessus,
– imprégnation du renfort selon une méthode d’infusion à température ambiante, avec de la matière polymérique dont le point de fusion est inférieur au point de fusion du renfort tricoté;
– consolidation du produit composite par fusion de la matière thermoplastique ou par polymérisation de la matière thermodurcissable.
En particulier, le renfort présente une forme complexe en 3D, similaire ou adaptée à la forme finale du produit composite.
Un tricot multi ‘parois’ peut être réalisé en tricotant plusieurs couches simultanément.
Selon un autre mode de réalisation, la structure est obtenue par une méthode de tricotage chaine. Dans ce cas, il s’agit d’un tricot ‘multi ensouple’.
Une ensouple porte un ensemble de fils de chaine qui formera une peau. Il faut donc une ensouple par peau.
Dans le cas d’un tricotage trame, il s’agit d’un tricot double fonture avec des liaisons ponctuelles: ~1 pour 100 mailles (soit près de 200 fois moins que la solution standard selon l’exemple 1).
Selon un deuxième mode de réalisation préféré, la préforme est réalisée par tricotage d’un fil de renfort; la matière polymérique étant introduite en voie liquide dans un moule. Selon un autre mode de réalisation, la préforme peut être réalisée par tricotage d’un fil mixte comportant de la matière polymérique et de la matière de renfort.
Les exemples qui suivent illustrent l’invention de manière non-limitative.
Dans les figures ci-dessous, les représentations ne sont pas nécessairement à l’échelle.
La figure 1 représente une vue en coupe schématique d’un renfort tricoté selon l’état de la technique.
La figure 2 est une photo d’un tel renfort tricoté selon l’état de la technique.
La figure 3 représente une vue en coupe schématique d’un renfort tricoté selon l’invention.
La figure 4 représente une photo d’un tel renfort tricoté selon l’invention.
La figure 5 est le schéma de maille d’un premier exemple de réalisation.
La figure 6 est le schéma de maille d’un deuxième exemple de réalisation.
Exemples
Exemple 1 (comparatif): tricot double fonture avec liaisons régulières entre les deux fontures
Un renfort selon cette méthode est illustré aux figures 1 et 2. Le tricot réalisé à l’aide d’une machine double fonture, comporte une peau avant et une peau arrière. Le fil utilisé est en fibre de verre. Des fibres de liaison sont disposées régulièrement et de l’ordre de 2 liaisons par maille.
Le grammage est de 2897 g/m².
Le nombre de rangs/cmest de 4,6483; le nombre de colonnes/cmest de 3,7692.
L’avantage d’un tel renfort selon l’état de la technique est qu’il est stable car équilibré entre la peau avant et la peau arrière.
L’inconvénient d’un tel renfort est que les liaisons agissent comme des poutres qui limitent la compressibilité du matériau. Lors de l’injection de la matière plastique, si les conditions de vide/pression ne sont pas suffisantes, le matériau composite résultant est plus épais. Les propriétés volumiques résultantes sont inférieures. Le matériau composite est soit plus lourd, soit plus poreux, ce qui diminue encore ses propriétés mécaniques.
Un produit composite est réalisé en imprégnant le tricot de renfort avec de la résine polyester selon une méthode d’infusion à température ambiante.
La quantité de fibres est de 24% en volume pour 76 % en volume de résine.
Des essais de traction sont réalisés.
Les propriétés obtenues sont: 3,7-4,8 GPA de module d’Young et 46-57 MPa de résistance à la rupture.
Exemple 2 (comparatif): tricot simple fonture
Une structure tricotée est réalisée avec un fil de verre. Une seule fonture est utilisée. Selon cette méthode, le renfort est fin et présente de bonnes propriétés volumiques car il est dense.
Les inconvénientssont que le renfort est instable car non équilibré entre l’avant et l’arrière. Il roule sur lui-même. La réalisation du produit composite est plus compliquée car le renfort nécessite du temps pour être stabilisé / fixé lors du drapage dans un moule.
Exemple 3 (selon l’invention): tricot double fonture avec liaisons espacées entre les deux fontures
Un tricot est réalisé à l’aide d’une machine double fonture de manière à obtenir une peau avant et une peau arrière. Le fil utilisé est en fibre de verre.
Les liaisons entre les deux peaux sont réalisées par une technique connue de liaison par une charge. Cette technique consiste à réaliser, pour chaque liaison, une demi-ascension d’une aiguille d’une des deux fontures, ce qui provoque la prise du fil sans formation d’une maille. La densité des liaisons est de l’ordre de 1 pour 45 mailles.
La figure 5 illustre le tricot obtenu.
Les deux peaux sont indépendantes sauf aux points de liaison. Dans cet exemple de réalisation, les peaux sont réalisées en jersey. La liaison est réalisée par une charge du fil de la peau 1 dans la peau 2.
Le grammage est de 2868 g/m².
Le nombre de rangs/cmest de 4,4079; le nombre de colonnes/cmest de 3,8569.
Un produit composite est réalisé en imprégnant le tricot de renfort avec de la résine polyester selon une méthode d’infusion à température ambiante.
La quantité de fibres est de 34% en volume pour 66 % en volume de résine.
Des essais de traction sont réalisés.
Les propriétés obtenues sont: 7 à 8 GPa de module d’Young et 80 à 90 MPa de résistance à la rupture.
Exemple 4 (selon l’invention): tricot double fonture avec liaisons espacées entre les deux fontures.
Liaison par une maille.
La figure 6 illustre la réalisation d’un tricot comportant deux peaux et des fibres de liaison. La densité des fibres de liaison est de l’ordre de 1 pour 45 mailles.
Le fil utilisé est du type verre.
Les deux peaux sont indépendantes sauf aux points de liaison. Ici les peaux sont réalisées en jersey. La liaison est réalisée par une maille du fil de la peau 1 sur la fonture opposée. A ce point, afin de conserver un nombre de maille égal entre les deux peaux, aucune maille n’est tricotée (flotté) dans la peau 2.
Le grammage est de 2868 g/m².
Le nombre de rangs/cmest de 4,4079; le nombre de colonnes/cmest de 3,8569.
Un produit composite est réalisé en imprégnant le tricot de renfort avec de la résine polyester selon une méthode d’infusion à température ambiante.
La quantité de fibres est de 34% en volume pour 66 % en volume de résine.
Des essais de traction sont réalisés.
Les propriétés obtenues sont: 7 à 8 GPa de module d’Young et 80 à 90 MPa de résistance à la rupture.
Les renforts selon la présente invention présentent de nombreux avantages:
  • Le renfort est stable car équilibré entre la peau avant et la peau arrière. Il peut être mis en place facilement et rapidement.
  • Le renfort est très compressible avec de bonnes propriétés volumiques car dense.
Une structure de renfort comportant deux peaux donne au produit final des propriétés équivalentes à deux structures de renfort simple fonture; d’où une diminution du temps de drapage.

Claims (11)

  1. Structure tricotée pour le renforcement de produits composites, qui présente au moins deux peaux, reliées par des fibres de liaisons; la densité des fibres de liaison étant comprise entre 1 liaison pour 40 mailles et une liaison pour 10.000 mailles.
  2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle est réalisée à partir d’un fil en une matière de renfort choisie parmi le verre, le carbone, le basalte, le quartz, le para-aramide, les méta-aramide, le polypropylène, le polyamide, le polyéthylène téréphtalate, le polyester, le lin, le chanvre, les matières thermoplastiques, telles que le poly éther imide, le polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK), le polysulfure de phénylène (PPS).
  3. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la densité de liaison est comprise entre 1 liaison pour 100 mailles et une liaison pour 5.000 mailles, de préférence entre 1 liaison pour 200 mailles et une liaison pour 1.000 mailles.
  4. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle est obtenue par une technique de tricotage trame.
  5. Structure selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle est obtenue par une technique de tricotage trame rectiligne.
  6. Structure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle présente une forme tridimensionnelle adaptée à la forme du produit composite.
  7. Produit composite renforcé par une structure tricotée selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant entre 55 et 85% en volume de matière polymérique et entre 15 et 45% en volume de fibres de renfort.
  8. Produit composite selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matière polymérique est choisie parmi les matières thermoplastiques telles que polycarbonate, le polypropylène, le polyamide, le polyuréthane, le PMMA, le polyéthylène téréphtalate basse densité, le poly éther imide, le polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétonecétone (PEKK) et les matières thermodurcissables tels que le polyester et l’époxy.
  9. Procédé de fabrication d’un produit composite, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes:
    – fabrication d’une structure tricotée selon l’une quelconque des revendications 1 à 6,
    – imprégnation du renfort selon une méthode d’infusion à température ambiante, avec de la matière polymérique dont le point de fusion est inférieur au point de fusion du renfort tricoté;
    – consolidation du produit composite.
  10. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la matière polymérique est de la matière thermoplastique, l’étape de consolidation s’effectuant par fusion de la matière thermoplastique.
  11. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière polymérique est de la matière thermodurcissable, l’étape de consolidation s’effectuant par polymérisation de la matière thermodurcissable.
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