FR3151237A1

FR3151237A1 - Procede de recyclage de piece composite a matrice organique thermoplastique

Info

Publication number: FR3151237A1
Application number: FR2307694A
Authority: FR
Inventors: Pierre Lanfant Nicolas; Gurvan MOREAU; Laurent ALGLAVE Hugues
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2023-07-18
Filing date: 2023-07-18
Publication date: 2025-01-24
Also published as: WO2025017254A1

Abstract

Le présent document concerne un procédé de recyclage d’une pièce en composite à matrice organique thermoplastique récupérable, notamment une pièce en fin de vie ou endommagée, comprenant : l’introduction (2) de ladite pièce dans un outillage de mise en forme;le chauffage (4) de ladite pièce dans ledit outillage;l’application d’une pression (5) sur ladite pièce dans ledit outillage;le refroidissement (6) de ladite pièce dans ledit outillage, etle retrait (7) de la pièce recyclée dudit outillage. Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

PROCEDE DE RECYCLAGE DE PIECE COMPOSITE A MATRICE ORGANIQUE THERMOPLASTIQUE

La présente divulgation relève du domaine des pièces en matériau composite à matrice organique thermoplastique.

Dans le domaine aéronautique notamment, une pièce en matériau composite organique thermoplastique subit un certain nombre d’endommagements. Ces endommagements ou dégradations peuvent être visibles, comme des chocs ou des déformations, ou intervenir au sein du matériau lors d’un vieillissement, d’une décohésion entre la matrice et les fibres, de fissures intra matricielle ou encore lors de délaminages. Ces endommagements ou dégradations à l’intérieur du matériau entrainent une baisse progressive de la résistance mécanique de la pièce. Il est tenu compte de ces phénomènes afin d’effectuer un dimensionnement de la pièce approprié. Pour cela, des caractérisations en fatigue du matériau de la pièce sont réalisées.

En fin de vie une pièce en composite à matrice organique thermoplastique peut être détruite ce qui est environnementalement défavorable ou être recyclée. Le recyclage d’une telle pièce consiste en un broyage de la pièce permettant de réduire la pièce en copeaux ou en granulés utilisables dans la fabrication d’une nouvelle pièce. Cependant, dans ce cas, les propriétés mécaniques du matériau de la pièce après broyage sont dégradées par rapport à celles du matériau d’origine. Ainsi, le broyage d’une pièce en matériau composite à matrice organique thermoplastique avec des fibres continues donnera une pièce recyclée ayant des fibres de longueurs dispersées comprises entre 1 et 50 mm de long. Un tel traitement modifie donc la raideur et la résistance de la pièce recyclée.

De ce fait, actuellement les pièces en composite à matrice organique thermoplastique en fin de vie ne sont donc réutilisées pour une même fonction lors de leur recyclage. Il en est de même pour les pièces en composite à matrice organique thermoplastique endommagées prématurément lors de leur utilisation.

Résumé

La présente divulgation vient proposer un procédé de recyclage supplémentaire adapté à des pièces dont la matrice thermoplastique comporte des zones abimées (rupture ou délamination) alors que les fibres ou le tissu renfort est encore en bon état. Le procédé de la présente divulgation permet notamment de conserver à la pièce recyclée la même fonction que la pièce d’origine.

Il est proposé un procédé de recyclage d’une pièce en composite à matrice organique thermoplastique récupérable, notamment une pièce en fin de vie ou endommagée, comprenant :

l’introduction de ladite pièce dans un outillage de mise en forme;
le chauffage de ladite pièce dans ledit outillage;
l’application d’une pression sur ladite pièce dans ledit outillage;
le refroidissement de ladite pièce dans ledit outillage, et
le retrait de la pièce recyclée dudit outillage.

Le présent procédé permet de restaurer des propriétés mécaniques d’une pièce en composite à matrice organique thermoplastique. Cette pièce peut être en fin de vie ou endommagée de façon visible que ce soit par un choc, une rupture ou une déformation, ou de façon non visible. Les défauts concernés sont de type décohésions du renfort fibreux vis-à-vis de la résine thermoplastique, d’une plastification locale ou de fissurations internes.

L’application d’une thermocompression, à savoir un chauffage et une application de pression sur ladite pièce, permet de favoriser des mécanismes de reconsolidation au sein de la pièce à recycler.

Dans le cas où la pièce est une pièce avec une partie surmoulée, une étape de suppression de ladite partie surmoulée peut être réalisée avant l’introduction de ladite pièce dans ledit outillage.

L’étape de suppression peut être un usinage ou une élimination chimique, notamment un décapage chimique avec un solvant approprié.

La partie PEI Fibres courtes d’une pièce, en composite PAEK fibres continues, surmoulée par un composite PEI fibres courtes peut être solubilisée par un solvant chlore inefficace pour le composite PAEK.

Dans le cas d’une pièce surmoulée, le procédé peut comporter un surmoulage de la pièce avant le refroidissement de ladite pièce.

L’outillage de mise en forme de la pièce à recycler peut être préchauffé avant introduction de ladite pièce.

Alternativement ou de manière complémentaire, ladite pièce peut être préchauffée avant introduction dans ledit outillage.

Lors de l’introduction de ladite pièce dans l’outillage de mise en forme de la pièce à recycler, un film thermoplastique ou un pli composite à matrice organique thermoplastique de renfort peut être ajouté sur ladite pièce.

Cette étape permet d’assurer une pression suffisante au fluage de la matière dans des zones à restaurer sans changer la géométrie de la pièce.

La pièce comportant une matrice thermoplastique amorphe, le chauffage de la pièce à recycler peut être réalisé à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg de ladite matrice thermoplastique amorphe ou, la pièce comportant une matrice thermoplastique cristallin, le chauffage de la pièce à recycler peut être réalisé à une température supérieure à la température de fusion Tf de ladite matrice thermoplastique cristallin.

Cette température permet de ramollir la matrice thermoplastique de la pièce à recycler.

Le refroidissement de la pièce à recycler peut être réalisé dynamiquement et de façon contrôlée.

Le retrait de la pièce peut être un démoulage réalisé à une température conforme à la température préconisée pour la fabrication de la pièce.

Le démoulage de la pièce après restauration sera ainsi réalisé à une température identique ou proche de celle utilisée lors de la fabrication initiale de la pièce.

Le matériau thermoplastique de la pièce à recycler peut être en PAEK, PEI, PPS, PESU, PSU, PC ou PA. Dans le cas de résines thermoplastiques de type PAEK ou PEI, pour une thermocompression simple, la préforme et donc l’outillage seront chauffés à une température comprise entre 350 et 400°C. Pour un fonctionnement sur un type estampage, la préforme pourra être chauffée dans un four, par exemple à infrarouge à une température comprise entre 350 et 400°C et emboutie dans un outillage chauffé à une température comprise entre 150 et 250 °C.

Pour tout autre matériau, on se reportera aux fiches de données des fournisseurs matière afin de fixer les températures adéquates pour le cycle de restauration.

La pièce d’aéronef en fin de vie fournie peut être préalablement fabriquée par estampage d’un empilement de plis composite à matrice organique thermoplastique, par thermocompression d’une préforme à fibres longues, par thermocompression d’un composé de moulage, ou par injection d’une résine chargée ou non de fibres courtes.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

FIG. 1représente un premier diagramme du procédé de recyclage selon la présente divulgation.

Fig. 2

FIG. 2représente un deuxième diagramme du procédé de recyclage selon la présente divulgation, comprenant une étape de préchauffage de l’outillage de mise en forme.

Fig. 3

FIG. 3représente un troisième diagramme du procédé de recyclage selon la présente divulgation, comprenant une étape de préchauffage de la pièce et une étape de préchauffage de l’outillage de mise en forme.

Fig. 4

FIG. 4représente un quatrième diagramme du procédé de recyclage selon la présente divulgation, comprenant une étape de suppression surmoulage et une étape de surmoulage de la pièce.

La présente divulgation concerne un procédé de recyclage d’une pièce en composite à matrice organique thermoplastique récupérable. Cette pièce est une pièce en fin de vie ou endommagée. Par exemple, une pièce de structure de siège d’avion commercial, subit au cours de son utilisation des charges et décharges associées aux mouvements des passagers, aux différentes phases de vol mais aussi un vieillissement thermique et une exposition à l’environnement extérieur avec une hygrométrie et des températures particulières. Lors de cette utilisation, la pièce peut être endommagée. L’endommagement peut être visible, par exemple des chocs, une rupture ou des déformations, ou non visible à l’œil nu lors d’une décohésion du renfort fibreux et de la matrice organique thermoplastique, d’une plastification locale ou de fissurations internes. La situation est la même pour des pièces telles que des supports ou des pontets en composite thermoplastique.

Pour recycler de telles pièces, les étapes d’un procédé de recyclage vont notamment comprendre comme représenté enFIG. 1après récupération 1 de la pièce en fin de vie ou endommagée:

l’introduction 2 de ladite pièce dans un outillage de mise en forme;
le chauffage 4 de ladite pièce dans ledit outillage;
l’application d’une pression 5 sur ladite pièce dans ledit outillage;
le refroidissement 6 de ladite pièce dans ledit outillage, et
le retrait 7 de la pièce recyclée dudit outillage.

Un tel procédé vise à réparer les contraintes ou déformations subies par la pièce lors de son utilisation ultérieure. Ce procédé vise également à restaurer les propriétés mécaniques initiales de zones endommagées de la pièce en fin de vie. Ce procédé restaure la matrice organique thermoplastique. Ce procédé s’applique dans le cas où le renfort fibreux n’est pas endommagé notamment lorsque les fibres ne sont pas rompues et dans le cas où l’arrangement des fibres n’est pas modifié.

Pour cela, la pièce est introduite dans un outillage de mise en forme. L’outillage de mise en forme présente la forme théorique visé de la pièce finale. Cette pièce subit un nouveau cycle de chauffage et d’application de pression. On parle de thermocompression. Ces deux étapes relatives à la thermocompression contribuent directement à la restauration des propriétés thermomécaniques de la pièce. Ces trois étapes d’introduction de la pièce dans l’outillage de mise en forme, de chauffage et d’application d’une pression sur ladite pièce s’effectue directement sur la pièce à traiter dans sa forme géométrique obtenue en fin de vie ou après avoir subie les endommagements.

La pièce en fin de vie ou endommagée est une pièce composite à matrice thermoplastique. Il s’agit selon un premier exemple d’une pièce monolithique. Une telle pièce peut être fabriquée par estampage d’un empilement de plis composites à matrice thermoplastique, par thermocompression d’une préforme à fibres longues discontinues, thermocompression d’un composé de moulage en vrac, par injection d’une résine chargée ou non de fibres courtes. Le procédé ne s’applique pas à des pièces ayant subi un endommagement significatif du renfort fibreux, tel qu’une rupture de fibres ou une modification de leur arrangement.

Nous allons par la suite distinguer les étapes du procédé en fonction du type de fabrication initiale de la pièce en fin de vie ou endommagée.

Cas d’une pièce en fin de vie ou endommagée initialement fabriquée par estampage :

Dans le présent cas, la pièce en fin de vie ou endommagée n’est pas obtenue par surmoulage.

Comme illustré enFIG. 1, dans une telle configuration, le procédé de recyclage est tel que précité, à savoir que l’on fait notamment subir à la pièce en fin de vie ou endommagée une étape de chauffage et d’application de pression. L’outillage de mise en forme peut avoir la forme de la pièce initiale ou être adapté à la forme de la pièce en fin de vie ou endommagée.

Comme représenté schématiquement dans le procédé de laFIG. 2, l’outillage de mise en forme de la pièce à recycler peut être préchauffé 8 avant introduction de ladite pièce. La température de préchauffage du moule est choisie pour faciliter l’introduction de la pièce en fin de vie ou endommagée dans l’outillage de mise en forme. Cette température permet également d’optimiser le cycle de restauration/réparation. Deux valeurs de température de préchauffage particulières sont à considérer avec intérêt:

la température fixée pour le cycle de restauration conforme à la température préconisée pour la fabrication de la pièce,
la température d’éjection de la pièce au démoulage conforme à la température préconisée pour la fabrication de la pièce.

La température de l’outillage et le temps d’exposition de la pièce dans l’outillage sont établis de sorte que la matrice organique thermoplastique soit bien portée à la température visée dans toute la pièce. Cette étape est réalisée à un temps suffisant pour permettre la mobilité des chaines polymères dans les zones à restaurer ou réparer. Ce temps dépend de l’épaisseur de la pièce à chauffer. Par exemple, dans le cas de résines thermoplastiques de type PAEK ou PEI, pour une thermocompression simple, l’outillage de mise en forme est chauffé à une température comprise entre 350 et 400°C. Pour un fonctionnement sur un type estampage, l’outillage est chauffé à une température comprise entre 150 et 250 °C. Pour tout autre matériau, on se reportera aux fiches de données des fournisseurs matière afin de fixer les températures adéquates pour le cycle de restauration.

L’outillage de mise en forme peut être équipé d’une technologie de pilotage thermique dynamique. Par exemple, cette technologie de pilotage thermique dynamique peut être la technologie proposée par la société Surface Generation ltd (UK) basée sur une régulation par air pulsé ou d’une technologie basée sur l’induction.

L’outillage de mise en forme peut comprendre au moins un capteur de pression. Ce capteur de pression permet de vérifier que le processus de mise sous pression de la matière à bien lieu. L’opération de restauration nécessite, en effet, d’imposer au matériau une pression suffisante pour favoriser les mécanismes de reconsolidation de la matière. Cette pression minimum doit être assurée par le moyen de mise en œuvre lors du cycle de restauration/réparation.

Comme représenté à laFIG. 2, lors de l’introduction de ladite pièce dans l’outillage de mise en forme de la pièce à recycler, un film thermoplastique ou un pli composite à matrice organique thermoplastique de renfort 9 peut être ajouté sur ladite pièce. Ce film thermoplastique ou pli composite à matrice organique thermoplastique permet d’assurer une pression suffisante au fluage de la matière dans les zones à restaurer sans changer la géométrie de la pièce.

Ladite pièce peut être préchauffée 10 avant introduction dans ledit outillage. Cet outillage peut être, comme précité, préchauffé 8 également. Un tel procédé est schématiquement représenté enFIG. 3.

Les températures de préchauffage de l’outillage et de la pièce sont choisies pour faciliter l’introduction de la pièce dans l’outillage préchauffé et optimiser le cycle de restauration/réparation. La pièce peut être préchauffée à une température allant jusqu’à la température de transition vitreuse Tg – 10°C pour les matrices thermoplastiques amorphes. La pièce peut être préchauffée à une température de fusion Tf – 10°C pour les matrices thermoplastiques semi-cristallin. Un tel mode de préchauffage permet d’introduire la pièce sans la déformer plastiquement.

La pièce comportant une matrice thermoplastique amorphe, le chauffage de la pièce à recycler peut être réalisé à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg de ladite matrice thermoplastique amorphe ou pour lequel, la pièce comportant une matrice thermoplastique cristallin, le chauffage de la pièce à recycler peut être réalisé à une température supérieure à la température de fusion Tf de ladite matrice thermoplastique cristallin.

Ce traitement thermique spécifique permet de ramollir la matrice organique thermoplastique.

Une ouverture de l’outillage de mise en forme et l’étape de chauffage de la pièce avant l’application d’une pression sur ladite pièce peuvent être pilotées dynamiquement. Ce pilotage dynamique permet de contrôler un foisonnement du matériau avant l’application de la pression sur ladite pièce. Par foisonnement, on entend une reprise en épaisseur, une augmentation de l’épaisseur de la pièce traitée par rapport à la pièce en fin de vie non encore traitée. Le foisonnement de la préforme lors de l’étape de chauffage de la pièce permet à lui seul une bonne reconsolidation lors de la fermeture de l’outillage de mise en forme.

L’application de pression peut être réalisé par une bâche à vide, une membrane ou dans un autoclave.

L’épaisseur de la pièce peut être réduite lors de l’opération de thermocompression. Cela permet d’assurer la mise en pression de la pièce.

Cas des pièces fabriquées initialement par estampage – surmoulage :

Nous étudions à présent le cas d’une pièce composée de plusieurs matériaux et réalisée initialement par estampage et surmoulage. La pièce peut avoir été réalisée en une étape si l’estampage et le surmoulage ont lieu dans le même outillage, ou en deux étapes si la pièce est d’abord emboutie puis une préforme est introduite dans un outillage d’injection pour réaliser le surmoulage.

Dans un tel cas de figure, le procédé de recyclage est le même que précédemment. La seule différence dans ce type de configuration est qu’il n’est pas possible de préchauffer la pièce. Il n’est donc pas possible d’utiliser un four infrarouge au risque de fondre une partie surmoulée et de perdre la forme. La pièce doit être introduite froide dans un outillage de mise en forme froid, c’est-à-dire non préchauffé.

Comme illustrée enFIG. 4, la pièce étant une pièce avec une partie surmoulée, une étape de suppression de ladite partie surmoulée 11 peut être réalisée avant l’introduction de ladite pièce dans ledit outillage.

L’étape de suppression peut être un usinage ou une élimination chimique. L’élimination chimique peut être réalisée à l’aide d’un solvant spécifique à la matrice thermoplastique utilisée pour la partie surmoulée.

Le procédé peut alors comporter un surmoulage de la pièce 12 avant le refroidissement de ladite pièce.

La partie surmoulée peut être réalisée avec un matériau neuf. Alternativement, la partie surmoulée peut être réalisée à partir de la partie surmoulée préalablement retirée. Dans ce deuxième cas, il est nécessaire de broyer les éléments surmoulés pour reconstituer des granulés qui pourront être injectés.

La partie surmoulée peut être réalisée dans l’outillage de mise en forme ou dans un outillage dédié.

Cas d’une pièce hybride :

Par pièce hybride, on entend une pièce fabriquée avec deux matériaux composites différents en termes de nature de renfort fibreux et/ou matrice résine thermoplastique. Un exemple de pièce hybride comporte un composite PAEK à fibres continues et composite PEI à fibres courtes.

La partie surmoulée en thermoplastique fibres courtes peut être éliminée thermiquement.

Nous étudions le cas d’une pièce hybride surmoulée. Cette pièce hybride surmoulée comporte un matériau A comprenant des fibres continues avec une température de ramollissement supérieure à un matériau B utilisé pour le surmoulage. Ce cas de figure permet de faire fondre et évacuer le matériau dans les zones surmoulées sans affecter les fibres continues qui sont traitées selon le procédé précité.

Par exemple, on définira une pièce hybride dans laquelle la partie à fibres continue est réalisée en PAEK, PEEK ou PEKK et la zone surmoulée sera réalisée en matériau PEI chargé de fibres courtes. La composante fibres courte en PEI peut être éliminée par fusion en chauffant la pièce à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg du PEI soit 210 °C et inférieure à la température de fusion Tf du PEEK, 300 °C. Grâce à cette étape de procédé, seule la partie en PEI passera à l’état fondu et pourra être ainsi éliminée de la partie en PEEK fibres continues.

La partie surmoulée en thermoplastique fibres courtes peut être éliminée chimiquement.

Nous étudions le cas d’une pièce hybride surmoulée comprenant un matériau A comprenant des fibres continues insensibles à un agent chimique et un matériau B utilisé pour le surmoulage configuré pour se dissoudre avec l’agent chimique. Cette élimination chimique permet d’évacuer le matériau B de la pièce sans affecter le matériau A à fibres continues. Le matériau A est ensuite traité selon le procédé précité.

Claims

Procédé de recyclage d’une pièce en composite à matrice organique thermoplastique récupérable, notamment une pièce en fin de vie ou endommagée, comprenant :
l’introduction (2) de ladite pièce dans un outillage de mise en forme;

le chauffage (4) de ladite pièce dans ledit outillage;

l’application d’une pression (5) sur ladite pièce dans ledit outillage;

le refroidissement (6) de ladite pièce dans ledit outillage, et

le retrait (7) de la pièce recyclée dudit outillage.
Procédé selon la revendication 1, pour lequel la pièce étant une pièce avec une partie surmoulée, une étape de suppression de ladite partie surmoulée (11) est réalisée avant l’introduction de ladite pièce dans ledit outillage.
Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’étape de suppression de ladite partie surmoulée (11) est un usinage ou une élimination chimique.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un surmoulage de la pièce (12) avant le refroidissement de ladite pièce.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’outillage de mise en forme de la pièce à recycler est préchauffé (8) avant introduction de ladite pièce.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce est préchauffée (10) avant introduction dans ledit outillage.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’introduction de ladite pièce dans l’outillage de mise en forme de la pièce à recycler, un film thermoplastique ou un pli composite à matrice organique thermoplastique de renfort (9) est ajouté sur ladite pièce.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour lequel, la pièce comportant une matrice thermoplastique amorphe, le chauffage de la pièce à recycler est réalisé à une température supérieure à la température de transition vitreuse Tg de ladite matrice thermoplastique amorphe ou pour lequel, la pièce comportant une matrice thermoplastique cristallin, le chauffage de la pièce à recycler est réalisé à une température supérieure à la température de fusion Tf de ladite matrice thermoplastique cristallin.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le refroidissement (6) de la pièce à recycler est réalisé dynamiquement et de façon contrôlée.