FR3142119A1 - PART MADE OF COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD - Google Patents

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Hugues Laurent ALGLAVE
Nicolas Pierre LANFANT
Naoufel BEN SALEM
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Safran SA
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Abstract

PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET SON PROCEDE DE FABRICATION Un premier aspect de l’invention concerne une pièce en matériau composite (10) comportant une âme (24) interne et au moins une peau (20, 22) externe en appui contre l’âme (24). L’âme (24) est réalisée dans un composite en résine polyétherimide et chaque peau (20, 22) comprend une résine de la famille des polyaryléthercétones. Un deuxième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite (10) selon l’invention. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1PART MADE OF COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD A first aspect of the invention relates to a part made of composite material (10) comprising an internal core (24) and at least one external skin (20, 22) bearing against the core ( 24). The core (24) is made of a polyetherimide resin composite and each skin (20, 22) comprises a resin from the polyaryletherketone family. A second aspect of the invention relates to a method of manufacturing a part made of composite material (10) according to the invention. Figure to be published with the abstract: Figure 1

Description

PIECE EN MATERIAU COMPOSITE ET SON PROCEDE DE FABRICATIONPART MADE OF COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING METHOD DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTIONTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

La présente invention se rapporte au domaine des matériaux composites et particulièrement des matériaux composites thermoplastiques utilisés dans l’aéronautique.The present invention relates to the field of composite materials and particularly thermoplastic composite materials used in aeronautics.

La présente invention concerne plus particulièrement une pièce en matériau composite associant différentes résines et un procédé de fabrication de la pièce.The present invention relates more particularly to a part made of composite material combining different resins and a method of manufacturing the part.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTIONTECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION

Un matériau composite désigne un assemblage formé de plusieurs composants dont leur association confère à l'ensemble des propriétés particulières. Les matériaux composites sont couramment utilisés dans le domaine de l’aéronautique pour leur légèreté, permettant de construire des avions dont le poids est réduit et qui par conséquent ont une consommation de carburant moins importante.A composite material designates an assembly made up of several components whose combination gives the whole particular properties. Composite materials are commonly used in the field of aeronautics for their lightness, making it possible to build planes with reduced weight and which therefore have lower fuel consumption.

La réalisation d’un matériau composite nécessite l’association d’au moins deux matériaux non miscibles dont une matrice et un renfort. La matrice constitue la base du matériau composite et se présente généralement sous la forme d’une résine et le renfort représente l’armature du nouveau matériau qui est dispersée dans le matériau composite sous forme de particules ou de fibres. En fonction de leur taille, les fibres peuvent être qualifiées de courtes (entre 0,1 et 1 mm), longues (entre 1 et 50 mm) ou continues (supérieure à 50 mm).The production of a composite material requires the combination of at least two immiscible materials including a matrix and a reinforcement. The matrix forms the basis of the composite material and is generally in the form of a resin and the reinforcement represents the reinforcement of the new material which is dispersed in the composite material in the form of particles or fibers. Depending on their size, the fibers can be classified as short (between 0.1 and 1 mm), long (between 1 and 50 mm) or continuous (greater than 50 mm).

Les matériaux composites de type thermoplastique ou thermodurcissable comportent une matrice appartenant à la grande famille des matrices organiques appelées aussi des matrices polymères. Dans le domaine de l’industrie aéronautique, les pièces en matériau composite thermoplastique utilisent généralement des résines de type polyaryléthercétones (PAEK) ou de type polyétherimides (PEI) pour répondre à des spécifications en termes de tenue en température et/ou de résistance à des agents chimiques agressifs tel que des produits de nettoyage ou de dégivrage.Composite materials of the thermoplastic or thermosetting type comprise a matrix belonging to the large family of organic matrices also called polymer matrices. In the field of the aeronautical industry, parts made of thermoplastic composite material generally use polyaryl ether ketone (PAEK) or polyetherimide (PEI) type resins to meet specifications in terms of temperature resistance and/or resistance to aggressive chemical agents such as cleaning or defrosting products.

Les polyaryléthercétones (PAEK) sont une famille de polymères à propriétés thermomécaniques élevées, même à haute température, comprenant notamment : le polyéthercétone (PEK), le polyétheréthercétone (PEEK), le polyétheréthercétonecétone (PEEKK), le polyéthercétonecétone (PEKK), le polyéthercétoneéthercétonecétone (PEKEKK). Les polyétherimides (PEI) appartiennent à la famille des polyimides thermoplastiques.Polyaryletherketones (PAEK) are a family of polymers with high thermomechanical properties, even at high temperatures, including in particular: polyetherketone (PEK), polyetheretherketoneketone (PEEK), polyetheretherketoneketone (PEEKK), polyetherketoneketone (PEKK), polyetherketoneetherketoneketone ( PEKEKK). Polyetherimides (PEI) belong to the family of thermoplastic polyimides.

Les résines PAEK sont de nature semi-cristalline, c’est-à-dire qu’elles possèdent des zones cristallines et des zones amorphes. La présence de zones cristallines conférent au résines PAEK de très bonnes propriétés en termes de résistance aux agents chimiques. Elles ont une température de transition vitreuse TG de l’ordre de 140°C à 160°C. Ces résines sont généralement utilisées pour une température de fonctionnement en continu inférieure à leur température de transition vitreuse afin d’éviter l’apparition de problématiques tels que le fluage ou encore l’abattement des propriétés mécaniques des résines PAEK. Par conséquent, la température de fonctionnement des résines PAEK est de préférence comprise entre 120°C et 140°C au maximum, cette plage de température est cependant très inférieure à la température de fusion du matériau qui est de l’ordre de 320°C à 330°C. Par conséquent, le matériau conserve un comportement rigide jusqu’à une température s’élevant à 250°C.PAEK resins are semi-crystalline in nature, meaning they have crystalline areas and amorphous areas. The presence of crystalline zones gives PAEK resins very good properties in terms of resistance to chemical agents. They have a glass transition temperature TG of around 140°C to 160°C. These resins are generally used for a continuous operating temperature lower than their glass transition temperature in order to avoid the appearance of problems such as creep or the reduction in the mechanical properties of PAEK resins. Consequently, the operating temperature of PAEK resins is preferably between 120°C and 140°C maximum, this temperature range is however much lower than the melting temperature of the material which is of the order of 320°C at 330°C. Consequently, the material maintains rigid behavior up to a temperature of 250°C.

Les résines PEI sont de nature amorphe, c’est-à-dire qu’elles ne présentent aucune structure atomique ordonnée, à moyenne et longue distance. Elles ont une température de transition vitreuse TG de l’ordre de 190°C à 210°C, au-delà de cette plage de températures le matériau atteint un état dit fondu. Ces résines sont qualifiables pour une température de fonctionnement en continu comprise entre 170°C et 190°C.PEI resins are amorphous in nature, meaning they do not exhibit any ordered atomic structure at medium or long distances. They have a glass transition temperature TG of around 190°C to 210°C, beyond this temperature range the material reaches a so-called molten state. These resins are qualified for a continuous operating temperature of between 170°C and 190°C.

Les résines PAEK et PEI ont donc des champs d’application différents, la résine PAEK a une très bonne résistance aux agents chimiques ainsi qu’une résistance au feu très avantageuse mais une température de fonctionnement en continu peu élevée alors que la résine PEI a une tenue en température très élevée mais une résistance aux agents chimiques limitée.PAEK and PEI resins therefore have different fields of application, PAEK resin has very good resistance to chemical agents as well as very advantageous fire resistance but a low continuous operating temperature while PEI resin has a resistance to very high temperatures but limited resistance to chemical agents.

L’invention propose une pièce en matériau composite à résines PAEK et PEI présentant des propriétés cumulant les avantages des deux résines.The invention proposes a part made of composite material with PAEK and PEI resins having properties combining the advantages of the two resins.

Un premier aspect de l’invention concerne une pièce en matériau composite comportant une âme interne, et au moins une peau externe en appui contre l’âme. L’âme est réalisée dans un matériau composite en résine polyétherimide (PEI) et chaque peau comprend une résine de la famille des polyaryléthercétones (PAEK).A first aspect of the invention concerns a part made of composite material comprising an internal core, and at least one external skin bearing against the core. The core is made of a polyetherimide (PEI) resin composite material and each skin includes a resin from the polyaryletherketone (PAEK) family.

L’invention propose une pièce en matériau composite issue de l’association d’un matériau composite en résine polyétherimide (PEI) et d’un composant comprenant une résine de la famille des polyaryléthercétones (PAEK) présentant les propriétés avantageuses de chacune des résines PEI et PAEK en termes de température d’exploitation, de résistance chimique, de résistance au feu et de comportement mécanique. La pièce en matériau composite selon l’invention est apte à fonctionner en continu à une température de l’ordre de 180 °C - 190 °C grâce à la résine PEI de l’âme et dans un milieu exposé aux agents chimiques aéronautiques agressifs grâce à la résine PAEK de la peau. Plus particulièrement, dans le cas d’une pièce en matériau composite partiellement exposée aux agents chimiques, la face exposée comporte une peau en résine PAEK et la face dont le risque d’exposition aux agents chimiques est faible peut être dépourvue de peau en résine PAEK. De plus, la présence de résine PAEK confère à la pièce en matériau composite une résistance au feu avantageuse.The invention proposes a composite material part resulting from the combination of a polyetherimide (PEI) resin composite material and a component comprising a resin from the polyaryletherketone (PAEK) family having the advantageous properties of each of the PEI resins. and PAEK in terms of operating temperature, chemical resistance, fire resistance and mechanical behavior. The composite material part according to the invention is capable of operating continuously at a temperature of the order of 180°C - 190°C thanks to the PEI resin of the core and in an environment exposed to aggressive aeronautical chemical agents thanks to to the PAEK resin of the skin. More particularly, in the case of a part made of composite material partially exposed to chemical agents, the exposed face has a skin made of PAEK resin and the face whose risk of exposure to chemical agents is low may be devoid of skin made of PAEK resin . In addition, the presence of PAEK resin gives the composite material part advantageous fire resistance.

Selon un mode de réalisation particulier, la pièce en matériau composite comporte une première et une deuxième peaux externes agencées de part et d’autre de l’âme.According to a particular embodiment, the composite material part comprises a first and a second external skin arranged on either side of the core.

Selon une première variante, chaque peau recouvre totalement l’âme. Dans ce cas, les propriétés de la pièce en matériau composite sont homogènes de sorte que la totalité de la pièce en matériau composite présente à la fois une bonne résistance aux agents chimiques et une bonne résistance au feu, qui sont des caractéristiques propres à la résine PAEK.According to a first variant, each skin completely covers the core. In this case, the properties of the composite material part are homogeneous so that the entire composite material part has both good resistance to chemical agents and good fire resistance, which are characteristics specific to the resin. PAEK.

Selon une deuxième variante, chaque peau recouvre partiellement l’âme. Dans ce cas, les propriétés de la pièce en matériau composite ne sont pas les mêmes dans les zones revêtues de peau comprenant une résine PAEK et dans les zones dépourvues de peau comprenant une résine PAEK. Plus particulièrement, seules les zones d’une pièce en matériau composite exposées aux agents chimiques comportent une peau en résine PAEK.According to a second variant, each skin partially covers the core. In this case, the properties of the composite material part are not the same in the areas covered with skin comprising a PAEK resin and in the areas devoid of skin comprising a PAEK resin. More particularly, only the areas of a composite material part exposed to chemical agents include a PAEK resin skin.

Avantageusement, l’âme comprend des fibres de verre ou de carbone permettant de renforcer structurellement l’âme de la pièce en matériau composite.Advantageously, the core comprises glass or carbon fibers making it possible to structurally reinforce the core of the composite material part.

Préférentiellement, chaque peau comprend des fibres, de préférence des fibres de verre, permettant d’améliorer la résistance au feu de la peau de la pièce en matériau composite.Preferably, each skin comprises fibers, preferably glass fibers, making it possible to improve the fire resistance of the skin of the composite material part.

Avantageusement, la pièce en matériau composite comporte des bords périphériques surmoulés par un composant comprenant une résine de la famille des polyaryléthercétones permettant d’améliorer à la fois la résistance aux agressions chimiques et la résistance au feu de la pièce en matériau composite et d’augmenter sa durabilité.Advantageously, the composite material part has peripheral edges overmolded with a component comprising a resin from the polyaryl ether ketone family making it possible to improve both the resistance to chemical attack and the fire resistance of the composite material part and to increase its durability.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite selon l’invention.A second aspect of the invention relates to a method of manufacturing a part made of composite material according to the invention.

Selon un premier exemple de procédé de fabrication, la pièce en matériau composite est réalisée par thermocompression ou par estampage.According to a first example of a manufacturing process, the composite material part is produced by thermocompression or by stamping.

Selon un deuxième exemple de procédé de fabrication, la pièce en matériau composite est réalisée par co-injection.According to a second example of a manufacturing process, the composite material part is produced by co-injection.

Selon un troisième exemple de procédé de fabrication, la pièce en matériau composite est réalisée par surmoulage.According to a third example of a manufacturing process, the composite material part is produced by overmolding.

Selon un quatrième exemple de procédé de fabrication, la pièce en matériau composite est réalisée par placement de fibres automatisé.According to a fourth example of a manufacturing process, the composite material part is produced by automated fiber placement.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.The invention and its various applications will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

  • La est une vue schématique en perspective d’une pièce en matériau composite selon l’invention ;
  • La est une vue schématique en perspective d’une pièce en matériau composite selon une variante de réalisation de l’invention ;
  • La est une représentation schématique d’une étape de fabrication d’un flan consolidé par empilement du procédé de fabrication par thermocompression ou par estampage de la pièce en matériau composite selon l’invention ;
  • La est une représentation schématique d’un flan consolidé issu de l’étape de fabrication de la ;
  • La est une représentation schématique de la thermocompression du flan consolidé de la du procédé de fabrication de la ;
  • La est une représentation schématique de l’estampage du flan consolidé de la du procédé de fabrication de la ;
  • La est une représentation schématique du procédé de fabrication par co-injection de la pièce en matériau composite selon l’invention ;
  • La est une représentation schématique d’une étape de dépôt d’un premier groupe de couches de filaments du procédé de fabrication par placement de fibres automatisé de la pièce en matériau composite selon l’invention ;
  • La est une représentation schématique d’une étape de dépôt d’un deuxième groupe de couches de filaments du procédé de fabrication de la ;
  • La est une représentation schématique d’une étape de dépôt d’un troisième groupe de couches de filaments du procédé de fabrication de la .
Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the description which follows, illustrated by the figures in which:
  • There is a schematic perspective view of a part made of composite material according to the invention;
  • There is a schematic perspective view of a part made of composite material according to an alternative embodiment of the invention;
  • There is a schematic representation of a step of manufacturing a blank consolidated by stacking of the manufacturing process by thermocompression or by stamping of the part made of composite material according to the invention;
  • There is a schematic representation of a consolidated blank resulting from the manufacturing stage of the ;
  • There is a schematic representation of the thermocompression of the consolidated blank of the of the manufacturing process of the ;
  • There is a schematic representation of the stamping of the consolidated blank of the of the manufacturing process of the ;
  • There is a schematic representation of the manufacturing process by co-injection of the composite material part according to the invention;
  • There is a schematic representation of a step of depositing a first group of filament layers of the manufacturing process by automated fiber placement of the composite material part according to the invention;
  • There is a schematic representation of a step of depositing a second group of layers of filaments of the manufacturing process of the ;
  • There is a schematic representation of a step of depositing a third group of layers of filaments of the manufacturing process of the .

 DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION

Un exemple de réalisation d’une pièce en matériau composite selon l’invention est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l’invention.An example of production of a part made of composite material according to the invention is described in detail below, with reference to the appended drawings. This example illustrates the characteristics and advantages of the invention.

Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.Unless otherwise specified, the same element appearing in different figures presents a unique reference.

Pour la compréhension de l’invention, on adoptera les orientations verticale, longitudinale et transversale selon le repère V, L, T indiqué aux figures dont les axes longitudinal L et transversal T s’étendent dans un plan horizontal. L’axe vertical V s’étend selon l’épaisseur de la pièce en matériau composite, l’axe longitudinal L s’étend selon la longueur de la pièce et l’axe transversal T s’étend selon la largeur de la pièce en matériau composite.To understand the invention, we will adopt the vertical, longitudinal and transverse orientations according to the reference V, L, T indicated in the figures whose longitudinal axes L and transverse T extend in a horizontal plane. The vertical axis V extends along the thickness of the composite material part, the longitudinal axis L extends along the length of the part and the transverse axis T extends along the width of the material part composite.

La représente une pièce en matériau composite 10 selon certains modes de réalisation l’invention comprenant :

  • une face inférieure 12 délimitée par des bords périphériques inférieurs 16 et comportant une première peau 20 de la pièce en matériau composite 10,
  • une face supérieure 14 délimitée par des bords périphériques supérieurs 18 et comportant une deuxième peau 22 de la pièce en matériau composite 10, et
  • une âme 24 agencée entre les première et deuxième peaux 20, 22.
There represents a part of composite material 10 according to certain embodiments of the invention comprising:
  • a lower face 12 delimited by lower peripheral edges 16 and comprising a first skin 20 of the part made of composite material 10,
  • an upper face 14 delimited by upper peripheral edges 18 and comprising a second skin 22 of the composite material part 10, and
  • a core 24 arranged between the first and second skins 20, 22.

L’association de ces trois éléments forment l’épaisseur e de la pièce en matériau composite 10 selon la direction verticale V.The combination of these three elements forms the thickness e of the composite material part 10 in the vertical direction V.

La pièce en matériau composite 10 telle que représentée à la est à structure sandwich, c’est-à-dire fabriquée par assemblage d’une première et d’une deuxième peaux 20, 22 externes minces et rigides à une âme 24 interne légère et plus épaisse.The composite material part 10 as shown in has a sandwich structure, that is to say manufactured by assembling a first and a second thin and rigid external skins 20, 22 to a light and thicker internal core 24.

Selon un mode de réalisation particulier non représenté, la pièce en matériau composite 10 comprend une seule et unique peau 20, 22, c’est-à-dire la première peau 20 ou bien la deuxième peau 22 agencée sur l’une des faces inférieure 12 ou supérieure 14 de la pièce en matériau composite 10. La peau 20, 22 est réalisée dans un matériau comprenant une résine PAEK et est en appui contre l’âme 24. Dans le cas d’une pièce en matériau composite 10 partiellement exposée aux agents chimiques, seule la face 12, 14 exposée comporte une peau 20, 22 en résine PAEK et l’autre face 12, 14 dont le risque d’exposition aux agents chimiques est faible est dépourvue de peau 20, 22.According to a particular embodiment not shown, the composite material part 10 comprises a single skin 20, 22, that is to say the first skin 20 or the second skin 22 arranged on one of the lower faces 12 or upper 14 of the composite material part 10. The skin 20, 22 is made of a material comprising a PAEK resin and is supported against the core 24. In the case of a composite material part 10 partially exposed to chemical agents, only the exposed face 12, 14 has a skin 20, 22 in PAEK resin and the other face 12, 14 whose risk of exposure to chemical agents is low is devoid of skin 20, 22.

Dans le mode de réalisation illustré , les première et deuxième peaux 20, 22 recouvrent totalement l’âme 24. L’âme 24 est liée aux première et deuxième peaux 20, 22 par exemple par collage au moyen des propriétés adhésives intrinsèques des première et deuxième peaux 20, 22 ou au moyen d’un adhésif. Selon un autre exemple, l’âme 24 est liée aux première et deuxième peaux 20, 22 par soudage. Lors de la liaison de l’âme 24 avec les première et deuxièmes peaux 20, 22, grâce à la compatibilité entre les résines PAEK et PEI, les deux résines se mélangent partiellement par diffusion de manière à obtenir une bonne adhésion entre elles.In the illustrated embodiment , the first and second skins 20, 22 completely cover the core 24. The core 24 is linked to the first and second skins 20, 22 for example by bonding by means of the intrinsic adhesive properties of the first and second skins 20, 22 or using an adhesive. According to another example, the core 24 is linked to the first and second skins 20, 22 by welding. When connecting the core 24 with the first and second skins 20, 22, thanks to the compatibility between the PAEK and PEI resins, the two resins mix partially by diffusion so as to obtain good adhesion between them.

L’âme 24 est réalisée dans un matériau composite comprenant une matrice PEI et un renfort fibreux tels que des fibres de verre ou de carbone. La présence de résine PEI dans l’âme 24 permet à la pièce en matériau composite 10 de fonctionner en continu à une température maximum de l’ordre de 170 °C à 190 °C. Par conséquent, à la température de fonctionnement maximale, l’âme 24 représente la partie de la pièce en matériau composite 10 qui supporte les efforts auxquels la pièce en matériau composite 10 est soumise.The core 24 is made of a composite material comprising a PEI matrix and a fibrous reinforcement such as glass or carbon fibers. The presence of PEI resin in the core 24 allows the composite material part 10 to operate continuously at a maximum temperature of the order of 170°C to 190°C. Consequently, at the maximum operating temperature, the core 24 represents the part of the composite material part 10 which supports the forces to which the composite material part 10 is subjected.

Les première et deuxième peaux 20, 22 sont réalisés dans un matériau comprenant une résine PAEK. La présence de résine PAEK dans les première et deuxième peaux 20, 22 permet d’améliorer la résistance aux agents chimiques de la pièce en matériau composite 10. De plus, au-delà de la température de transition vitreuse de la résine PAEK comprise entre 140 °C et 160 °C, les première et deuxième peaux 20, 22 présentent un comportement mécanique viscoélastique améliorant le comportement aux chocs de la pièce en matériau composite 10.The first and second skins 20, 22 are made of a material comprising a PAEK resin. The presence of PAEK resin in the first and second skins 20, 22 makes it possible to improve the resistance to chemical agents of the composite material part 10. In addition, beyond the glass transition temperature of the PAEK resin of between 140 °C and 160°C, the first and second skins 20, 22 exhibit viscoelastic mechanical behavior improving the impact behavior of the composite material part 10.

Selon une première variante, chacune des première et deuxième peaux 20, 22 est réalisée dans un matériau composite comprenant une matrice en résine PAEK et un renfort fibreux de préférence en fibres de verre. La présence de fibres de verre dans les première et deuxième peaux 20, 20 permet d’améliorer la tenue au feu de la pièce en matériau composite 10.According to a first variant, each of the first and second skins 20, 22 is made of a composite material comprising a PAEK resin matrix and a fibrous reinforcement, preferably made of glass fibers. The presence of glass fibers in the first and second skins 20, 20 makes it possible to improve the fire resistance of the composite material part 10.

Selon une deuxième variante, chacune des première et deuxième peaux 20, 22 est réalisée dans un matériau comprenant une résine PAEK mais ne comprend aucun renfort fibreux. Les première et deuxième peaux 20, 22 sont alors réduites à une fonction de protection contre les agents chimiques.According to a second variant, each of the first and second skins 20, 22 is made of a material comprising a PAEK resin but does not include any fibrous reinforcement. The first and second skins 20, 22 are then reduced to a protective function against chemical agents.

Selon une variante, l’âme 24 et les première et deuxième peaux 20, 22 comprennent des renforts fibreux de nature et architecture différentes afin d’obtenir des combinaisons particulières avantageuses pour améliorer distinctement les propriétés mécaniques des première et deuxième peaux 20, 22 et de l’âme 24. Par exemple, l’augmentation de la souplesse des première et deuxième peaux 20, 22 améliore leur résistance aux déformations de surface et l’augmentation de la rigidité de l’âme 24 améliore sa résistance mécanique.According to a variant, the core 24 and the first and second skins 20, 22 comprise fibrous reinforcements of different nature and architecture in order to obtain particular advantageous combinations for distinctly improving the mechanical properties of the first and second skins 20, 22 and of the core 24. For example, increasing the flexibility of the first and second skins 20, 22 improves their resistance to surface deformations and increasing the rigidity of the core 24 improves its mechanical strength.

Selon une variante de la pièce en matériau composite 10 illustrée à la , au moins l’un des bords périphériques inférieurs et supérieurs 16, 18 de la pièce en matériau composite 10 comprend un traitement complémentaire spécifique pour améliorer la protection de la pièce en matériau composite 10. Les bords périphériques 16, 18 de la pièce en matériau composite 10 sont surmoulés avec un composant comprenant une résine PAEK. Préférentiellement, le composant utilisé pour le surmoulage des bords périphériques 16, 18 est un matériau composite en résine PAEK à fibres courtes.According to a variant of the composite material part 10 illustrated in , at least one of the lower and upper peripheral edges 16, 18 of the composite material part 10 comprises a specific additional treatment to improve the protection of the composite material part 10. The peripheral edges 16, 18 of the material part composite 10 are overmolded with a component comprising a PAEK resin. Preferably, the component used for overmolding the peripheral edges 16, 18 is a short fiber PAEK resin composite material.

Selon une variante non représentée de la pièce en matériau composite 10, chaque peau 20, 22 est réalisée dans un matériau comprenant une résine PAEK et recouvre partiellement l’âme 24 en résine PEI.According to a variant not shown of the composite material part 10, each skin 20, 22 is made of a material comprising a PAEK resin and partially covers the core 24 of PEI resin.

Les procédés de fabrication possibles pour réaliser ce type de pièces en matériau composite 10 sont nombreux, quelques exemples sont représentés aux figures 3A à 5C.The possible manufacturing processes for producing this type of parts in composite material 10 are numerous, some examples are shown in Figures 3A to 5C.

Un premier exemple est le procédé de fabrication par thermocompression ou par estampage représenté aux figures 3A à 3D. Ce type de procédé requiert l’utilisation d’une presse chauffante 38 pour la thermocompression et d’un four infrarouge (non représenté), d’un dispositif poinçon-matrice 37 comprenant un support 42 et d’un outillage d’emboutissage 44 pour l’estampage. La presse chauffante 38 comprend une partie mobile 39 supérieure et une partie fixe 40 inférieure, la partie mobile 39 est mobile en translation entre une position ouverte et une position fermée la presse chauffante 38. L‘outillage d’emboutissage 44 est équipé d’une partie mobile 46 supérieure, appelée poinçon, présentant différentes formes en fonction de la géométrie de la pièce en matériau composite 10 souhaitée et d’une partie fixe 48 inférieure, appelée matrice. La partie mobile 46 de l’outillage d’emboutissage 44 est mobile en translation entre une position de repos selon laquelle la partie mobile 46 est éloignée de la partie fixe 48 et une position d’estampage selon laquelle la partie mobile 46 est rapprochée de la partie fixe 48.A first example is the manufacturing process by thermocompression or stamping shown in Figures 3A to 3D. This type of process requires the use of a heating press 38 for thermocompression and an infrared oven (not shown), a punch-die device 37 comprising a support 42 and stamping tools 44 for stamping. The heating press 38 comprises an upper movable part 39 and a lower fixed part 40, the movable part 39 is movable in translation between an open position and a closed position the heating press 38. The stamping tool 44 is equipped with a upper movable part 46, called punch, having different shapes depending on the geometry of the desired composite material part 10 and a lower fixed part 48, called matrix. The movable part 46 of the stamping tool 44 is movable in translation between a rest position in which the movable part 46 is moved away from the fixed part 48 and a stamping position in which the movable part 46 is brought closer to the fixed part 48.

Le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite 10 selon l’invention par thermocompression ou par estampage comprend les étapes successives suivantes :

  • fabrication d’un flan consolidé 41 de la pièce en matériau composite 10 par empilement, et
  • thermocompression du flan consolidé 41 sous la presse chauffante 38 , ou estampage du flan consolidé 41au moyen du dispositif poinçon-matrice 37.
The method of manufacturing a part of composite material 10 according to the invention by thermocompression or by stamping comprises the following successive steps:
  • manufacturing a consolidated blank 41 of the composite material part 10 by stacking, and
  • thermocompression of the consolidated blank 41 under the heating press 38, or stamping of the consolidated blank 41 using the punch-die device 37.

L’étape de fabrication d’un flan consolidé 41 de la pièce en matériau composite 10 comprenant une première et une deuxième peaux 20, 22, tel qu’illustré à la , comprend les sous étapes suivantes :

  • formation d’un premier groupe de plis 30 réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PAEK de manière à former la première peau 20 de la pièce en matériau composite 10,
  • formation d’un deuxième groupe de plis 32 réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PEI de manière à former l’âme 24 de la pièce en matériau composite 10,
  • formation d’un troisième groupe de plis 34 réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PAEK de manière à former la deuxième peau 22 de la pièce en matériau composite 10, et
  • empilement des premier, deuxième et troisième groupes de plis 30, 32, 34 de manière à former un flan consolidé 41.
The step of manufacturing a consolidated blank 41 of the composite material part 10 comprising a first and a second skin 20, 22, as illustrated in , includes the following sub-steps:
  • formation of a first group of folds 30 made in a pre-impregnated material comprising a PAEK resin so as to form the first skin 20 of the composite material part 10,
  • formation of a second group of plies 32 made from a pre-impregnated material comprising a PEI resin so as to form the core 24 of the composite material part 10,
  • formation of a third group of folds 34 made from a pre-impregnated material comprising a PAEK resin so as to form the second skin 22 of the composite material part 10, and
  • stacking of the first, second and third groups of plies 30, 32, 34 so as to form a consolidated blank 41.

Dans le cas d’une pièce en matériau composite 10 comprenant une seule et unique peau 20, 22, l’étape de fabrication du flan consolidé 41 comprend les sous-étapes suivantes :

  • formation d’un premier groupe de plis 30,
  • formation d’un deuxième groupe de plis 32, et
  • empilage des premier et deuxième groupes de plis 30, 32 de manière à former un flan consolidé 41.
In the case of a part made of composite material 10 comprising a single skin 20, 22, the step of manufacturing the consolidated blank 41 comprises the following sub-steps:
  • formation of a first group of folds 30,
  • formation of a second group of folds 32, and
  • stacking of the first and second groups of plies 30, 32 so as to form a consolidated blank 41.

L’étape de thermocompression du flan consolidé 41 illustrée à la comprend les sous étapes suivantes :

  • mise en position ouverte de la presse chauffante 38,
  • positionnement du flan consolidé 41 dans la partie fixe 40 de la presse chauffante 38, et
  • translation de la partie mobile 39 de la presse chauffante 38 vers la partie fixe 40 jusqu’à la position fermée de la presse chauffante 38 de manière à compacter le flan consolidé 41 et former la pièce en matériau composite 10.
The thermocompression step of the consolidated blank 41 illustrated in includes the following sub-steps:
  • placing the heating press 38 in the open position,
  • positioning of the consolidated blank 41 in the fixed part 40 of the heating press 38, and
  • translation of the movable part 39 of the heating press 38 towards the fixed part 40 until the closed position of the heating press 38 so as to compact the consolidated blank 41 and form the part made of composite material 10.

L’étape de thermocompression est réalisée par chauffage de l’empilement 36 par la presse chauffante 38 jusqu’à qu’il soit malléable, l‘empilement 36 malléable est ensuite déposé dans la partie fixe 48 de l’outillage d’emboutissage 44.The thermocompression step is carried out by heating the stack 36 by the heating press 38 until it is malleable, the malleable stack 36 is then deposited in the fixed part 48 of the stamping tool 44.

Préférentiellement, les matériaux pré-imprégnés utilisés pour la thermocompression sont des matériaux composites en résine à fibres continues ou discontinues, par exemple à fibres longues discontinues appelées Discontinuous Long-Fiber (DLF) en terminologie anglosaxonne.Preferably, the pre-impregnated materials used for thermocompression are resin composite materials with continuous or discontinuous fibers, for example with long discontinuous fibers called Discontinuous Long-Fiber (DLF) in Anglo-Saxon terminology.

L’étape d’estampage du flan consolidé 41 tel qu’illustré à la comprend les sous étapes suivantes :

  • chauffage du flan consolidé 41 par le four infrarouge,
  • mise en position de repos de l’outillage d’emboutissage 44,
  • transfert du flan consolidé 41 chaud du four infrarouge vers l’outillage d’emboutissage 44,
  • fixation du flan consolidé 41 au support 42 agencé entre la partie mobile 46 et la partie fixe 48 de l’outillage d’emboutissage 44, et
  • translation de la partie mobile 46 de l’outillage d’emboutissage 44 vers la partie fixe 48 jusqu’à la position d’estampage de l’outillage d’emboutissage 44, de manière à modifier la forme du flan consolidé 41 et former la pièce en matériau composite 10.
The step of stamping the consolidated blank 41 as illustrated in includes the following sub-steps:
  • heating of the consolidated blank 41 by the infrared oven,
  • placing the stamping tool 44 in the rest position,
  • transfer of the hot consolidated blank 41 from the infrared oven to the stamping tool 44,
  • fixing the consolidated blank 41 to the support 42 arranged between the mobile part 46 and the fixed part 48 of the stamping tool 44, and
  • translation of the movable part 46 of the stamping tool 44 towards the fixed part 48 up to the stamping position of the stamping tool 44, so as to modify the shape of the consolidated blank 41 and form the part made of composite material 10.

La sous-étape de chauffage du flan consolidé 41 de l’étape d’estampage est réalisé à une température voisine ou supérieure à la température de fusion des matrices, c’est-à-dire des résines PAEK et PEI. Par exemple, lors de la sous-étape de chauffage, le flan consolidé 41 est chauffé jusqu’à une température comprise environ entre 320°C et 350°C.The sub-step of heating the consolidated blank 41 of the stamping step is carried out at a temperature close to or higher than the melting temperature of the matrices, that is to say the PAEK and PEI resins. For example, during the heating sub-step, the consolidated blank 41 is heated to a temperature of approximately between 320°C and 350°C.

Préférentiellement, les matériaux pré-imprégnés utilisés pour l’estampage sont des matériaux composites en résine à fibres continues.Preferably, the pre-impregnated materials used for stamping are continuous fiber resin composite materials.

Un deuxième exemple est le procédé de fabrication par co-injection représenté à la . Ce procédé requiert l’utilisation d’une presse à injecter 50 et d’un moule à injection 66 régulé thermiquement. La presse à injecter 50 comprend une première et une deuxième unités d’injection 52, 54 chacune reliée respectivement à un premier et un deuxième canal d’alimentation 56, 58.A second example is the co-injection manufacturing process shown in . This process requires the use of an injection press 50 and a thermally regulated injection mold 66. The injection press 50 comprises a first and a second injection units 52, 54 each connected respectively to a first and a second supply channel 56, 58.

Le moule à injection 66 comprend :

  • une partie mobile 68 entre une position ouverte et fermée du moule à injection 66, et
  • une partie fixe 70 comportant :
    • une première et une deuxième entrée 60, 62 des premier et deuxième canaux d’alimentation 56, 58,
    • une cavité 72 agencée à l’intérieur de la partie fixe 70 prévue pour recevoir les matériaux injecter et former la pièce en matériau composite 10, et
    • un point d’injection 64 unique correspondant à la jonction des premier et deuxième canaux d’alimentation 56, 58.
The injection mold 66 includes:
  • a movable part 68 between an open and closed position of the injection mold 66, and
  • a fixed part 70 comprising:
    • a first and a second input 60, 62 of the first and second supply channels 56, 58,
    • a cavity 72 arranged inside the fixed part 70 intended to receive the injected materials and form the composite material part 10, and
    • a single injection point 64 corresponding to the junction of the first and second supply channels 56, 58.

Le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite 10 selon l’invention par co-injection comprend les étapes successives suivantes :

  • injection d’un matériau comprenant une résine PAEK selon les sous-étapes suivantes :
    • injection du matériau comprenant une résine PAEK à partir de la première unité d’injection 52 de la presse à injecter 50 par un premier canal d’alimentation 56,
    • passage du matériau comprenant une résine PAEK par la première entrée 60 jusqu’au point d’injection 64, et
    • injection d’un premier volume du matériau comprenant une résine PAEK dans la cavité 72 du moule à injection 66 de manière à remplir partiellement la cavité 72 du moule d’injection 66, ce premier volume étant prédéfini de manière à assurer la formation des première et deuxième peaux 20, 22 de la pièce en matériau composite 10 ;
  • Injection d’un matériau composite en résine PEI selon les sous-étapes suivantes :
    • injection du matériau en résine PEI à partir de la deuxième unité d’injection 54 de la presse à injecter 50 par un deuxième canal d’alimentation 58,
    • passage du matériau en résine PEI par la deuxième entrée 62 jusqu’au point d’injection 64, et
    • injection d’un deuxième volume du matériau en résine PEI dans la cavité 72 du moule à injection 66 partiellement remplie par le matériau comprenant une résine PAEK, ce deuxième volume étant prédéfini pour compléter le remplissage de la cavité 72 du moule d’injection 66, l’injection du matériau en résine PEI repousse le matériau comprenant une résine PAEK contre les parois de la cavité 72, par effet découlement forcé sous pression.
The method of manufacturing a part made of composite material 10 according to the invention by co-injection comprises the following successive steps:
  • injection of a material comprising a PAEK resin according to the following sub-steps:
    • injection of the material comprising a PAEK resin from the first injection unit 52 of the injection press 50 via a first supply channel 56,
    • passage of the material comprising a PAEK resin through the first inlet 60 to the injection point 64, and
    • injection of a first volume of the material comprising a PAEK resin into the cavity 72 of the injection mold 66 so as to partially fill the cavity 72 of the injection mold 66, this first volume being predefined so as to ensure the formation of the first and second skins 20, 22 of the composite material part 10;
  • Injection of a PEI resin composite material according to the following sub-steps:
    • injection of the PEI resin material from the second injection unit 54 of the injection press 50 via a second supply channel 58,
    • passage of the PEI resin material through the second inlet 62 to the injection point 64, and
    • injection of a second volume of the PEI resin material into the cavity 72 of the injection mold 66 partially filled with the material comprising a PAEK resin, this second volume being predefined to complete the filling of the cavity 72 of the injection mold 66, the injection of the PEI resin material pushes the material comprising a PAEK resin against the walls of the cavity 72, by forced flow effect under pressure.

Pour les étapes d’injection du procédé de fabrication par co-injection, le ratio premier volume du matériau comprenant une résine PAEK / deuxième volume du matériau en résine PEI définit l’épaisseur de la peau 20 de la pièce en matériau composite 10. Plus particulièrement, l’évolution de la valeur de l’épaisseur de la peau 20 est proportionnelle à l’évolution de la valeur du premier volume.For the injection steps of the co-injection manufacturing process, the ratio first volume of the material comprising a PAEK resin / second volume of the PEI resin material defines the thickness of the skin 20 of the composite material part 10. More particularly, the evolution of the value of the thickness of the skin 20 is proportional to the evolution of the value of the first volume.

Préférentiellement, les matériaux injectés sont des matériaux composites à fibres courtes.Preferably, the injected materials are short fiber composite materials.

Un troisième exemple est le procédé de fabrication par injection surmoulage, non représenté. Ce procédé comprend les étapes successives suivantes :

  • fabrication de l’âme 24 de la pièce en matériau composite 10 réalisée dans un matériau composite en résine PEI,
  • positionnement de l’âme 24 ainsi fabriquée dans un moule à injection 66, et
  • surmoulage de l’âme 24 par injection d’un matériau comprenant une résine PAEK de manière à former les première et deuxième peaux 20, 22 de la pièce en matériau composite 10.
A third example is the manufacturing process by injection molding, not shown. This process comprises the following successive steps:
  • manufacture of the core 24 of the composite material part 10 made from a PEI resin composite material,
  • positioning of the core 24 thus manufactured in an injection mold 66, and
  • overmolding of the core 24 by injection of a material comprising a PAEK resin so as to form the first and second skins 20, 22 of the composite material part 10.

L’étape de fabrication de l’âme 24 est réalisée par tout moyen adapté et l’étape de surmoulage de l’âme 24 par injection peut être décomposée en plusieurs sous étapes. Préférentiellement, le matériau comprenant une résine PAEK est un matériau composite à fibres courtes et le matériau composite en résine PEI est à fibres continues ou fibres courtes.The step of manufacturing the core 24 is carried out by any suitable means and the step of overmolding the core 24 by injection can be broken down into several sub-steps. Preferably, the material comprising a PAEK resin is a short fiber composite material and the PEI resin composite material is made of continuous fibers or short fibers.

Un quatrième exemple est le procédé de fabrication par placement de fibres automatisé (AFP) représenté aux figures 5A à 5C. Ce procédé requiert l’utilisation d’un outillage 74 présentant une forme correspondant à la forme recherchée et d’une tête de dépôt 76 d’un filament 78 préchauffé.A fourth example is the automated fiber placement (AFP) manufacturing process shown in Figures 5A to 5C. This process requires the use of tools 74 having a shape corresponding to the desired shape and a deposition head 76 of a preheated filament 78.

Le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite 10 selon l’invention par placement de fibres automatisé comprend les étapes successives suivantes :

  • dépôt d’un premier groupe de couches 80 de filaments 78 (ou rubans) réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PAEK, dans l’outillage 74, de manière à former la première peau 20 de la pièce en matériau composite 10, tel que représenté à la ,
  • dépôt d’un deuxième groupe de couches 82 de filaments 78 réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PEI, sur le premier groupe de couches 80, de manière à former l’âme 24 de la pièce en matériau composite 10, tel que représenté à la , et
  • dépôt d’un troisième groupe de couches 84 de filaments 78 réalisés dans un matériau pré-imprégné comprenant une résine PAEK, sur le deuxième groupe de couches 82, de manière à former la deuxième peau 22 de la pièce en matériau composite 10, tel que représenté à la .
The method of manufacturing a part made of composite material 10 according to the invention by automated fiber placement comprises the following successive steps:
  • depositing a first group of layers 80 of filaments 78 (or ribbons) made from a pre-impregnated material comprising a PAEK resin, in the tooling 74, so as to form the first skin 20 of the part made of composite material 10, as shown in ,
  • depositing a second group of layers 82 of filaments 78 made of a pre-impregnated material comprising a PEI resin, on the first group of layers 80, so as to form the core 24 of the part made of composite material 10, such as represented at the , And
  • depositing a third group of layers 84 of filaments 78 made from a pre-impregnated material comprising a PAEK resin, on the second group of layers 82, so as to form the second skin 22 of the part made of composite material 10, such as represented at the .

Préférentiellement, les matériaux utilisés pour la réalisation des filaments 78 sont des matériaux composites en résine à fibres continues.Preferably, the materials used to produce the filaments 78 are continuous fiber resin composite materials.

Le procédé de fabrication par placement de fibres automatisé est transposable à la technologie de fabrication additive, appelée aussi impression trois dimensions (3D) constituant un quatrième exemple de procédé, non représenté. Ce procédé requiert l’utilisation d’une imprimante 3D. La technologie de fabrication additive utilisée est le dépôt de filament fondu ou fused filament fabrication (FFF) ou encore fused deposition molding (FDM) en terminologie anglosaxonne. Cette technologie consiste à déposer des filaments fondus de matière par une tête d’impression de l’imprimante 3D, les filaments sont déposés en couches successives puis refroidissent de manière à former la pièce en matériau composite 10.The manufacturing process by automated fiber placement can be transposed to additive manufacturing technology, also called three-dimensional (3D) printing, constituting a fourth example of the process, not shown. This process requires the use of a 3D printer. The additive manufacturing technology used is fused filament manufacturing (FFF) or fused deposition molding (FDM) in English terminology. This technology consists of depositing molten filaments of material by a print head of the 3D printer, the filaments are deposited in successive layers then cool so as to form the composite material part 10.

Préférentiellement, les matériaux utilisés pour la réalisation des filaments sont des matériaux composites en résine chargés ou non de fibres ou à fibres continues.Preferably, the materials used for producing the filaments are resin composite materials filled with or without fibers or with continuous fibers.

La pièce en matériau composite 10 selon l’invention présente à la fois une bonne tenue en température grâce à la présence de résine PEI dans l’âme 24 et à la fois une bonne résistance aux agents chimiques agressifs et au feu grâce à la présence de résine PAEK dans les première et deuxième peaux 20, 22.The composite material part 10 according to the invention has both good temperature resistance thanks to the presence of PEI resin in the core 24 and both good resistance to aggressive chemical agents and fire thanks to the presence of PAEK resin in the first and second skins 20, 22.

Claims (11)

Pièce en matériau composite (10) comportant une âme (24) interne et au moins une peau (20, 22) externe en appui contre l’âme (24), caractérisée en ce que l’âme (24) est réalisée dans un composite en résine polyétherimide et chaque peau (20, 22) comprend une résine de la famille des polyaryléthercétones.Part made of composite material (10) comprising an internal core (24) and at least one external skin (20, 22) bearing against the core (24), characterized in that the core (24) is made of a composite made of polyetherimide resin and each skin (20, 22) comprises a resin from the polyaryletherketone family. Pièce en matériau composite (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte une première et une deuxième peaux (20, 22) externes agencées de part et d’autre de l’âme (24).Composite material part (10) according to claim 1, characterized in that it comprises a first and a second external skin (20, 22) arranged on either side of the core (24). Pièce en matériau composite (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque peau (20, 22) recouvre totalement l’âme (24).Composite material part (10) according to claim 1 or 2, characterized in that each skin (20, 22) completely covers the core (24). Pièce en matériau composite (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque peau (20, 22) recouvre partiellement l’âme (24).Composite material part (10) according to claim 1 or 2, characterized in that each skin (20, 22) partially covers the core (24). Pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’âme (24) comprend des fibres de verre ou de carbone.Composite material part (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the core (24) comprises glass or carbon fibers. Pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque peau (20, 22) comprend des fibres, de préférence des fibres de verre.Composite material part (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that each skin (20, 22) comprises fibers, preferably glass fibers. Pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte des bords périphériques (16,18) surmoulés par un composant comprenant une résine de la famille des polyaryléthercétones (18).Composite material part (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises peripheral edges (16,18) overmolded with a component comprising a resin from the polyaryletherketone family (18). Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’elle est réalisée par thermocompression ou par estampage.Method of manufacturing a part of composite material (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that it is produced by thermocompression or by stamping. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’elle est réalisée par co-injection.Method of manufacturing a part of composite material (10) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is produced by co-injection. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’elle est réalisée par surmoulage.Method of manufacturing a part made of composite material (10) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is produced by overmolding. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’elle est réalisée par placement de fibres automatisé.Method of manufacturing a part of composite material (10) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it is produced by automated fiber placement.
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