FR3114534A1 - Procédé de préparation d’un rouleau de matériau composite. - Google Patents

Procédé de préparation d’un rouleau de matériau composite. Download PDF

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Abstract

Procédé de préparation d’un rouleau de matériau composite. Procédé de préparation d’un rouleau de matériau (10) composite à fibres longues discontinues, dans lequel : (E1) on fournit un rouleau de matériau (10) composite à fibres longues discontinues, (E2) on déroule le rouleau de matériau (10) pour obtenir une bande de matériau plane, présentant une largeur et une longueur selon un plan principal, et une épaisseur selon une direction perpendiculaire au plan principal, (E3) on chauffe la bande de matériau, (E4) on calandre la bande de matériau. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Procédé de préparation d’un rouleau de matériau composite.
Le présent exposé concerne le domaine des matériaux composites à fibres longues discontinues, et plus précisément la réalisation d’éléments de turbomachines à partir de tels matériaux.
Les matériaux à fibres longues discontinues sont obtenus par la découpe en coupons de plis de fibres continues imprégnées de résine. La taille des coupons est usuellement de l’ordre de 10 à 100 mm de long pour 5 à 100 mm de large. Ces coupons peuvent ensuite être fournis en vrac ou être disposés aléatoirement en nappe. La constitution d’une nappe de matière à fibres longues discontinues peut, par exemple se faire en laissant choir de façon aléatoire des coupons sur un tapis convoyeur. Lors de la constitution d’une nappe, le procédé de dispersion des coupons génère une variation de masse surfacique de coupons sur la largeur du tapis convoyeur ; moins de coupons arrivent statistiquement au bord du tapis.
Ainsi, dans les procédés conventionnels, les bords de la nappe de matériau sont communément découpés et jetés, ces parties n’étant pas exploitables pour l’obtention de pièces dans de domaines ayant des exigences élevées tels que la réalisation de composants de turbomachines. En outre, l’utilisation de nappes de matériaux ayant une masse surfacique non uniforme entraine une problématique de reproductibilité, et requiert la mise en œuvre de procédés spécifiques afin de quantifier les variations dans les propriétés des composants obtenus, pouvant conduire à des mises au rebus.
A titre d’exemple, le matériau HexMC/as4/1900/8552R, communément désigné sous la dénomination commerciale HexMC® (marque déposée), présente une masse surfacique pouvant varier de plus ou moins 25% par rapport à la masse surfacique moyenne qui est de l’ordre de 2000/m2.
La présente invention vise ainsi à répondre au moins partiellement à ces problématiques.
A cet effet, le présent exposé concerne un procédé pour la préparation d’un rouleau de matériau composite à fibres longues discontinues, dans lequel :
- on fournit un rouleau de matériau composite à fibres longues discontinues,
- on déroule le rouleau de matériau pour obtenir une bande de matériau plane, présentant une largeur et une longueur selon un plan principal, et une épaisseur selon une direction perpendiculaire au plan principal
- on chauffe la bande de matériau,
- on calandre la bande de matériau, typiquement en maintenant une largeur constante de la bande de matériau.
Selon un exemple, les étapes de chauffe et de calandrage sont configurées de manière à ce qu’un avancement de la matière dans la bande de matériau soit inférieur à 30%.
Selon un exemple, la bande de matériau est chauffée à une température comprise entre 40 et 180 °C.
Selon un exemple, l’étape de chauffage de la bande de matériau est réalisée de manière à ce que la bande plane de matériau présente une viscosité inférieure à 2000 Pa.s.
Selon un exemple, le matériau composite est un matériau qui présente un pli de fibres unidirectionnelles préimprégnées d’une résine thermodurcissable, par exemple du HexMC as4/1900/8552R.
Selon un exemple, l’étape de chauffage est réalisée par un dispositif de chauffe par infrarouge ou de chauffe par convection.
Selon un exemple, l’étape de chauffage est réalisée en chauffage une face inférieure et une face supérieure de la bande de matériau, l’une des faces étant chauffée par infrarouge, et l’autre des faces étant chauffée par contact.
Selon un exemple, le rouleau de matériau est déroulé sur un convoyeur présentant des bordures pour le maintien de la largeur de la bande de matériau lors du calandrage.
Selon un exemple, on fournit plusieurs rouleaux de matériau composite à fibres longues discontinues, et on déroule lesdits rouleaux de matériau en les superposant pour obtenir une bande de matériau plane.
Selon un exemple, le calandrage est réalisé au moyen de rouleaux réalisant un mouvement de calandrage selon la largeur de la bande de matériau, ou au moyen de rouleaux en forme de tronc de cône disposés selon la largeur de la bande de matériau et présentant un diamètre croissant depuis les extrémités de la bande de matériau vers le centre de la bande de matériau.
Selon un exemple, le calandrage est réalisé de manière à appliquer une pression sur la bande de matériau comprise entre 0 et 30 bar, ou entre 0 et 20 bar.
Le procédé tel que proposé peut notamment être employé dans le cadre de la fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite à fibres longues.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs.
La représente schématiquement un exemple de procédé selon un aspect de l’invention.
La représente schématiquement un exemple d’appareillage pour la mise en œuvre d’un tel procédé.
La représente est une vue d’un exemple de dispositif de calandrage de l’appareillage.
Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
On décrit ci-après un procédé selon un aspect de l’invention et un exemple d’appareillage pour sa mise en œuvre en référence aux figures 1, 2 et 3.
Comme indiqué en préambule, le présent exposé vise à réduire voire supprimer la variation de masse surfacique dans un matériau composite à fibres longues, notamment fourni sous la forme de rouleaux. Le présent exposé s’applique par exemple pour un matériau qui présente un pli de fibres unidirectionnelles préimprégnées d’une résine thermodurcissable, notamment pour le matériau communément désigné sous la dénomination commerciale HexMC® (marque déposée), notamment le HexMC/as4/1900/8552R. On le désignera dans la suite du texte directement par « HexMC ».
Le matériau composite à fibres longues est ainsi fourni sous forme de rouleau 10 dans une étape E1. Dans la négative, le matériau composite peut être mis sous forme de rouleau lors d’une étape préalable de préparation du matériau composite.
En variante, le matériau peut être fourni sous la forme de plusieurs rouleaux de matériau superposés. Le procédé demeure inchangé.
On réalise ensuite une étape de déroulage E2, lors de laquelle le rouleau 10 de matériau est déroulé pour obtenir une bande. Le matériau est typiquement déroulé sur un convoyeur 20, tel qu’un tapis roulant.
La bande ainsi formée s’étend selon une direction principale, définissant une longueur. La direction transverse définit la largeur de la bande, et l’épaisseur de la bande est mesurée selon une direction perpendiculaire à un plan défini par la longueur et la largeur de la bande.
Le convoyeur 20 est typiquement configuré de manière à présenter une vitesse d’avancement comprise entre 5 et 15 mm/s, ou par exemple entre 7 et 12 mm/s, par exemple égale à 9 mm/s.
Le convoyeur 20 présente typiquement des éléments formant des bordures latérales, tels que des nervures ou des murs, délimitant la largeur du convoyeur 20, et délimitant ainsi notamment la largeur de la bande de matériau sur le convoyeur 20. La bande de matériau a typiquement une largeur comprise entre 400 et 600 mm, par exemple entre 400 et 500 mm, ou par exemple égale à 460 mm.
La bande ainsi disposée sur le convoyeur 20 est ensuite chauffée lors d’une étape de chauffage E3.
Le chauffage est réalisé au moyen d’un dispositif de chauffage 30. Par exemple, le dispositif de chauffage 30 peut être un dispositif de chauffage par infrarouge ou par convection positionné au-dessus ou en-dessous du convoyeur 20, ou plus généralement tout moyen de chauffage adapté. En fonction de l’épaisseur de la bande de matériau, et notamment dans le cas où le ruban est formé de plusieurs rouleaux empilés, on peut réaliser simultanément un chauffage par le dessus et par le dessous, avec des moyens de chauffage identiques ou distincts. On peut par exemple réaliser un chauffage par contact par le dessous de la bande de matériau, et un chauffage infrarouge par le dessus de la bande de matériau.
Le chauffage est configuré de manière à modifier la viscosité du matériau composite, afin de le rendre malléable. A titre d’exemple, la viscosité du matériau composite est modifiée de manière à ce que sa viscosité soit inférieure ou égale à 2000 Pa.s, ou par exemple comprise entre 5 et 500 Pa.s. On comprend que le chauffage appliqué, et notamment la température, dépend du matériau pris en considération. Dans le cas du matériau Hexcel, celui-ci est par exemple chauffé à une température comprise entre 40 et 180 °C.
Une fois la bande de matériau rendue malléable par chauffage, on réalise une étape de calandrage E4.
L’étape de calandrage E4 est réalisée par un dispositif de calandrage 40.
Le dispositif de calandrage 40 est configuré de manière à diriger la matière de la bande de matériau depuis les zones les plus denses vers les zones les moins denses, c’est-à-dire les bordures de la bande de matériau selon sa largeur. Le dispositif de calandrage 40 peut par exemple comprendre des rouleaux coniques, ou des portions de cylindres. La représente un exemple dans lequel le dispositif de calandrage comprend deux portions coniques.
Le calandrage est typiquement réalisé de manière à ce que l’avancement de la matière au sein de la bande de matériau soit inférieur à 30%, ou compris entre 0 et 20%, ou encore inférieur à 5%. Le taux d’avancement de la matière est modulé en fonction notamment de l’application souhaitée, de la complexité de la pièce qui sera réalisée à l’aide de la bande de matériau, du chauffage réalisé. Réciproquement, le chauffage est réalisé en fonction de l’avancement de matière souhaité, notamment la température et la durée du chauffage.
Le calandrage est typiquement réalisé en exerçant une pression sur la bande de matériau comprise entre 0 et 30 bars, ou par exemple entre 10 et 20 bars, afin de réaliser un avancement de matière tout en évitant de trop compacter la matière.
A titre d’exemple, pour une bande de matériau en HexMC pour laquelle on souhaite atteindre un avancement compris entre 0% et 30%, le chauffage sera par exemple réalisé avec une consigne de 180°C pendant une durée comprise entre 1 et 15 minutes, la bande de matériau étant déroulée à une vitesse comprise de 0,05 mètres par minute à 1 mètre par minute avec une zone de chauffe de 1 mètre pour atteindre un avancement compris entre 0 et 20%.
Le calandrage est typiquement réalisé tout en maintenant une largeur constante pour la bande de matériau. Cette largeur constante est par exemple assurée par la présence de bordures 22 et 24 s’étendant selon la direction principale, aux deux extrémités de la largeur du convoyeur 20. Les bordures 22 et 24 peuvent par exemple être formées par un support du convoyeur 20, ou par une bande de convoyage du convoyeur 20.
Selon un mode de réalisation, l’étape de chauffage E3 peut être configurée de manière à réaliser une fonction de pré-cuisson de manière simultanée, afin de mettre le matériau dans des conditions chimiques optimales. La préparation de certains matériaux comprend communément une étape d’étuvage ou de pre-cuisson, communément désignée par le terme anglais « staging » ; une telle étape étant typiquement réalisée préalablement à des étapes ultérieures de formage et de thermocompression.
Le procédé tel que proposé peut ainsi intégrer une telle fonction lors de l’étape de chauffage E3, en particulier pour la réalisation de pièces avec des formes que l’on qualifie de simples. L’étape de chauffage E3 peut par exemple réaliser un chauffage compris entre 10 et 15 minutes, par exemple 11 minutes, à une température de 180°C, ce qui permet de réaliser une pré-cuisson pour une bande de matériau HexMC . Dans le cas de pièces avec des formes complexes, une étape de pré-cuisson peut être réalisée suite à l’étape de calandrage E4.
Le procédé de préparation du matériau composite tel que proposé présente ainsi plusieurs avantages et effets techniques que l’on indique ci-après.
Le procédé proposé permet une uniformisation de la matière lorsque le rouleau présente des dispersions de répartition de masse et/ou d’épaisseur.
Le procédé tel que proposé peut être automatisé, de manière simple, sur une ligne industrielle. Il permet ainsi de supprimer des étapes du processus de fabrication qui demandent une intervention manuelle pour la compensation de masse, ou une démarche d’automatisation complexe, notamment la pesée et l’appairage des masses. La superposition de plusieurs rouleaux pour former la bande de matériau permet d’améliorer l’uniformisation de la masse surfacique.
Le procédé tel que proposé permet de minimiser les chutes de matière, en évitant la mise au rebus des bordures du rouleau.
Le procédé permet également de faciliter la définition des préformes à découper de par la minimisation de la variabilité de masse surfacique. Minimiser la variation de la masse surfacique permet également de réduire les marges de sécurité requises.
Le procédé tel que proposé peut ainsi être appliqué notamment dans le domaine automobile, aéronautique, ferroviaire, la fabrication de scooter ou de moto, les télécommunications, cycles, ski. Le procédé peut par exemple être appliqué à des pièces de moteurs d’avion, de train d’atterrissage ou de nacelles comme des redresseurs de flux, des capotages, des éléments d’inverseurs de poussée, des panneaux acoustiques ou des panneaux structuraux.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (13)

  1. Procédé de préparation d’un rouleau de matériau (10) composite à fibres longues discontinues, dans lequel :
    - (E1) on fournit un rouleau de matériau (10) composite à fibres longues discontinues,
    - (E2) on déroule le rouleau de matériau (10) pour obtenir une bande de matériau plane, présentant une largeur et une longueur selon un plan principal, et une épaisseur selon une direction perpendiculaire au plan principal
    - (E3) on chauffe la bande de matériau,
    - (E4) on calandre la bande de matériau.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le calandrage (E4) de la bande de matériau est réalisé en maintenant une largeur constante de la bande de matériau.
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel les étapes de chauffe (E3) et de calandrage (E4) sont configurées de manière à ce qu’un avancement de la matière dans la bande de matériau soit inférieur à 30%.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la bande de matériau est chauffée à une température comprise entre 40 et 180 °C.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape de chauffage (E3) de la bande de matériau est réalisée de manière à ce que la bande plane de matériau présente une viscosité inférieure à 2000 Pa.s.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau composite est un matériau qui présente un pli de fibres unidirectionnelles préimprégnées d’une résine thermodurcissable.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de chauffage (E3) est réalisée par un dispositif de chauffe par infrarouge ou de chauffe par convection.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape de chauffage (E3) est réalisée en chauffage une face inférieure et une face supérieure de la bande de matériau, l’une des faces étant chauffée par infrarouge, et l’autre des faces étant chauffée par contact.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le rouleau de matériau est déroulé sur un convoyeur (20) présentant des bordures (22, 24) pour le maintien de la largeur de la bande de matériau lors du calandrage (E4).
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel on fournit (E1) plusieurs rouleaux de matériau (10) composite à fibres longues discontinues, et on déroule (E2) lesdits rouleaux de matériau (10) en les superposant pour obtenir une bande de matériau plane.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le calandrage est réalisé au moyen de rouleaux réalisant un mouvement de calandrage selon la largeur de la bande de matériau, ou au moyen de rouleaux en forme de tronc de cône disposés selon la largeur de la bande de matériau et présentant un diamètre croissant depuis les extrémités de la bande de matériau vers le centre de la bande de matériau.
  12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le calandrage (E4) est réalisé de manière à appliquer une pression sur la bande de matériau comprise entre 0 et 30 bar, ou entre 0 et 20 bar.
  13. Fabrication d’une pièce de turbomachine en matériau composite à fibres longues, comprenant un procédé selon l’une des revendications précédentes.
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