WO2010046279A1 - Procédé de réalisation de pièces de formes creuses en matériau composite - Google Patents

Procédé de réalisation de pièces de formes creuses en matériau composite Download PDF

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WO2010046279A1
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core
solution
etching
producing
panel
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PCT/EP2009/063354
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Stéphane BECHTEL
Philippe Blot
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European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
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    • B29K2079/08—PI, i.e. polyimides or derivatives thereof

Definitions

  • the present invention belongs to the field of manufacturing parts of complex shapes made of composite material. More specifically, the invention relates to a process for producing parts comprising hollow zones, the method using molding cores which are trapped in the room at the time of its production and which must be extracted.
  • Composite materials are nowadays widely used for the manufacture of parts in many industrial fields, in particular in the aeronautical field, including for structural parts, ie to support significant efforts of the order of magnitude. their structural strength during their use.
  • the composite material parts comprise fibers in a matrix, for example a resin, and are most often made using molds intended to give the material used the shape of said part.
  • the fibrous material which is dry or previously impregnated with resin, is deposited on the mold whose shape it has to conform to and undergoes a more or less complex cycle that may include resin injection and / or pressurizing and / or heating phases.
  • the workpiece having achieved the desired mechanical and dimensional properties is removed from the mold.
  • a known solution for producing the part comprising the hollow form consists in producing the elements of the part separately, for example on one side the stiffeners and on the other side the skin, and proceed to a subsequent assembly of the elements. But this solution is less satisfactory on the industrial level than a simultaneous realization of the different elements of the piece.
  • the simultaneous realization of the various elements generally requires the use of molds, some elements, said cores, can be trapped in the room at the time of demolding.
  • the cores that are trapped in the recessed form of the part are extracted from the part that has just been made when possible without damaging the part, which is difficult when the core is not not demoldable due to the shape of the piece.
  • a known method for extracting the cores without damaging the workpiece consists in producing nuclei in several assembled elements in order to be extracted in parts.
  • such cores, complex and expensive to perform, do not meet all the shapes encountered and the interfaces between the different elements leave undesirable prints in the composite material.
  • Another method also used consists in producing the core in a material that makes it possible to destroy the said core in order to eliminate it from the part, for example by a mechanical action or by melting the core material.
  • the difficulty is to find a material to make the core that is economically acceptable, or able to withstand the sometimes extreme conditions encountered during the process of producing the composite material part, or sufficiently stable to withstand mechanical handling and stresses. and thermal during the preparation of the piece respecting severe form tolerances and can be eliminated mechanically or by fusion without risk of damaging the part.
  • Another known method is to make a kernel in a material which is sufficiently deformable so that said core can be extracted by deformation.
  • a core made of an elastomer, possibly including recesses can be extracted by stretching and necking through a generally existing opening at one end of the stiffener.
  • a defect of the cores using a deformable material is their dimensional instability due to their low rigidity which does not allow to obtain the reproduction, within the tolerances required by certain applications, results during the manufacture of parts.
  • the cores remain trapped in the hollow form of the piece.
  • These cores are made of a rigid cellular material.
  • These cores are interesting industrially because they are economically interesting, they are able to withstand the extreme conditions encountered during the process of producing the composite material part, and stable enough to withstand handling and mechanical and thermal stresses during preparation of the part respecting strict tolerances of forms.
  • the maintenance of such cores in the composite parts cause a significant increase in the weight of the aircraft without providing additional mechanical performance.
  • a method of producing a composite material part comprising at least one recessed shape comprises the steps of:
  • the method comprises the following subsequent steps:
  • the cellular material is a polymethacrylimide foam.
  • the chemical attack is carried out from a solution of molecules selected from the group [sodium hydroxide, potassium hydroxide, acetic acid, methyl alcohol, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, ammonia].
  • the solution is a solution essentially based on soda or potash.
  • the solution contains a sodium concentration greater than 0.1%, preferably between 0.5 and 10%, more preferably between 2 and 4%.
  • the chemical etching step of the core is carried out at a solution temperature of less than 90. 0 C.
  • the chemical etching is carried out by immersion in a static bath of solution.
  • the chemical etching is carried out by immersion in a circulating bath.
  • the chemical etching is carried out by immersion in a bath of renewed solution.
  • an implementation mode consists in placing the workpiece in a position such that the core, after degradation, flows by gravity out of the hollow form through the opening. .
  • the core is advantageously covered, before the step of producing the part, with a flexible film to facilitate the detachment of the core.
  • the film is made of Teflon material.
  • said kernel is realized with channeling means, over all or part of a length of the core, to facilitate diffusion of the etching solution through said core during the degradation step of the nucleus.
  • the channeling means are made for example in the form of an orifice inside the core and or in the form of a groove on an outer wall of the core.
  • said channeling means are filled, during the step of producing the core, by an obstructing element, preferably made of an elastomeric material.
  • the method includes a subsequent step of washing the workpiece.
  • FIG. 1 an example of a stiffened panel by means of omega-profile stiffeners
  • FIG. 2 an example of a core ready to be used for producing the stiffened panel according to the invention
  • FIGS. 5a, 5b two embodiment examples of a channeling means in the core during its production
  • Figure 6 an illustration of the temporal evolution of the behavior of the nucleus with a means of channeling in a water bath
  • Figure 7 an illustration of the temporal evolution of the behavior of the nucleus without means of channeling in a bath of soda
  • Figure 8 an illustration of the temporal evolution of the behavior of the core with a channeling means in a soda bath.
  • the method according to the invention aims to produce a composite material part comprising at least one recessed shape, said shape being formed by means of a core which is extracted once the part made.
  • Composite materials which preferentially address to the invention are materials comprising fibers, such as for example glass fibers, carbon or Kevlar ® aramid kind, trapped in an organic matrix, such as for example a polyester resin or an epoxy resin, and are used for producing panels and parts with more or less complex shapes.
  • a stiffened panel 1 made of composite material, as illustrated in FIG. 1, advantageously produced according to the method of the invention, has at least one hollow form 4 and comprises a skin 2 and stiffeners 3 on one of the faces 21 of the skin 2.
  • the stiffener 3 is a structural element of elongated shape, that is to say that it has a dimension, the length L, large in front of the other dimensions, the width I and the height h. In general, the width I and the height h are variable depending on the position along the length and the stiffener has a more or less complex shape along the length (curvature, twisting, level change) according to the general shape of the panel.
  • the stiffener 3 has a hollow closed cross section.
  • the stiffener 3 has, at at least one end 31, an opening.
  • Figure 1 illustrates stiffeners having a closed omega-shaped cross section.
  • a first step is to achieve a core 5, as shown in Figure 2, which reproduces the hollow shape of the stiffener 3 with its variations of shapes and sections.
  • the core 5 is made to represent a volume corresponding substantially to the final desired hollow shape for the stiffener of the panel after removal of the core.
  • the material is a cellular material.
  • the core material is made so as to:
  • the material is for example a polymethacrylimide foam, called PMI foam.
  • the core is made for example by machining, forming or molding the material to fit the shape and final dimensions desired for the hollow form.
  • the core is for example made of at least two parts which are held together by gluing.
  • the core thus allows, during the subsequent steps of producing the panel, to reserve a space that must not be filled with resin and to support the deposited fibers to form the part.
  • the panel is made with the core at the location of the hollow to be formed in the panel.
  • a mold 7 is used whose surface 72 has the general shape desired by the skin and which has at least one recessed shape corresponding to the impression of the at least one stiffener which must be made on the face 21 of the skin 2.
  • RTM resin transfer technique
  • dry fibers 61 to enter the constitution of the stiffener are deposited in the hollow form.
  • the core 5 is placed in the recessed form so that the dry fibers 61 deposited are found between the mold 7 and the core 5.
  • Dry fibers 62 to enter the constitution of the skin are deposited on the surface 72 of the mold and cover the core 5.
  • a resin 63 is injected into the mold 7 by at least one opening 71 so as to spread uniformly in the internal space defined by the mold 7 by filling the void zones between the dry fibers.
  • the resin is polymerized to join the fibers together.
  • fibers called preimpregnated fibers, are deposited in the mold, after having been coated with a non-polymerized resin. The resin is then polymerized in the mold to cause the curing of said resin. When the hardening cycle of the panel is complete, the panel is out of the mold.
  • the structure of the composite material of the panel can be demolded, the core being trapped in the hollow form because of the complex shapes that do not allow its natural extraction.
  • a chemical attack of the core material is performed to detach the core from the panel.
  • the core material is attacked by a solution 8 so causing at least partial degradation of said core, the degradation consisting of a decrease in the volume of the core and or a softening of the material forming said core.
  • volume reduction is meant a chemical transformation of the core material whose consequence is a retraction of the core material, without dissolution.
  • Softening means a loss of rigidity, a behavior of the material close to a flowing material.
  • the etching solution is chosen so as to degrade the core without damaging the panel or deteriorating the performance acquired during its manufacture.
  • the etching solution is chosen so as to constitute a compromise between conditions of implementation, in particular a temperature of the solution and a treatment time necessary for the sufficient degradation of the core to obtain its total extraction.
  • a temperature of the solution In general, the higher the temperature, the lower the treatment time.
  • heating the solution to high temperatures leads to significant energy costs and can cause unacceptable damage to the panel.
  • vapors can be released during the heating of the solution and lead to an increase in the disadvantages of controlling risks in terms of safety and the environment.
  • the temperature of the solution is chosen close to the ambient temperature of the workshop which is generally between 10 and 30 ° C.
  • the temperature of the solution is less than 90 ° C.
  • the temperature of solution is 60 ° or 80 °.
  • the etching solution is chosen so as to constitute a compromise between conditions of implementation, in particular a concentration of the solution and the chemical treatment time.
  • concentration the higher the concentration, the shorter the treatment time.
  • an overly concentrated solution may be difficult to handle because of its dangerous nature and may cause unacceptable damage to the surface. sign.
  • the solution is a solution made from a molecule belonging to the following group:
  • the etching solution is an alkaline solution, for example sodium hydroxide, better known as sodium hydroxide (NAOH), or potassium hydroxide, better known as potassium hydroxide (KOH).
  • NaOH sodium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • the concentration of sodium hydroxide in the etching solution chosen is greater than 0.1%, preferably between 0.5 and 10%, and more preferably between 2 and 4%. .
  • the concentration of the potassium hydroxide in the etching solution chosen is greater than 0.1%, preferably between 0.5 and 10%, and more preferably between 2 and 4%. .
  • the chemical attack on the core is carried out by spraying.
  • the etching is carried out by immersing the core-containing panel in a bath containing the etching solution 8, as illustrated in FIG. 4.
  • the immersion of the panel is carried out in a static thermostatic solution bath.
  • a first example of implementation of the immersion is to perform the immersion of the panel in a circulating bath, thermostat.
  • a second example of implementation consists of immersing in a bath of renewed solution.
  • the panel is either immersed in a continuous flow bath or immersed in successive baths.
  • the core 5 is degraded in the hollow form of the panel.
  • the degraded core 5 is removed from the panel 1 so as not to damage said panel, which is made possible by the state of the degraded kernel.
  • the panel is placed in a position, for example substantially vertically, such that said degraded core "flows" by gravity out of the hollow form of the panel when the degradation reaches a sufficiently advanced stage.
  • the fourth stage of the process can be carried out naturally at the end of the third stage, by placing the panel in the solution bath in such a position that the core "flows" into said solution bath, such as illustrated in Figure 4.
  • the panel is rid of the core and takes its final shape with a stiffener having a hollow shape.
  • the panel is washed, in the recessed form, so as to remove core residues and obtain a clean surface on internal surfaces 41 within the recessed form 4.
  • the panel is subjected to a step of neutralizing the etching bath.
  • the panel is immersed in a bath comprising a neutralization solution, for example a solution based on acetic acid when the solution of the etching bath is made from welded.
  • a neutralization solution for example a solution based on acetic acid when the solution of the etching bath is made from welded.
  • the neutralization step is followed by a rinsing and drying step of the panel.
  • a flexible film 51 is placed so as to cover outer walls 52 of the core 5.
  • the film 51 is placed on the core 5 after the step of producing said core and before the step of producing the panel.
  • the film 51 is chosen so as not to adhere to the composite and to form a barrier impervious to the infiltration of the resin into the core material during the step of producing the composite material structure of the panel to facilitate the separation of the outer walls 52 of the core of the inner surface 41 of the recessed form 4.
  • the film 51 is chosen so that it has a thickness sufficiently small not to substantially alter the volume of the core. In another case, the core is machined to take into account the thickness of the film.
  • the film is for example a Teflon film.
  • the laying of the film around the core makes it possible, in one embodiment, to extract the degraded core by mechanical action by pulling on said film through the existing opening at the end 31 of the stiffener 3.
  • the core 5 is made so as to include channeling means 53, over all or part of the length of said core, to facilitate diffusion of the etching solution through said core.
  • the channeling means 53a, 53b are made to have a dimension adapted to the size of the core 5.
  • the channeling means are made in the form of an orifice 53a or not through the core, as shown in Figure 5a.
  • the channeling means are made in the form of a groove 53b on the surface of the core, as illustrated in FIG. 5b.
  • the channeling means 5 are machined.
  • the machining of said channeling means is performed during the machining phase of the core to the dimensions of the hollow form.
  • said channeling means are filled by means of an obstructing element before said step of producing the composite material structure of the panel.
  • Said element is made of an elastomeric material, resistant and elastic, able to deform and be extracted easily.
  • the obstructing element is removed from the core after the step of demolding the panel and before the step of performing the etching, by stretching or necking through the opening of the end 31 of the stiffener 3.
  • channeling means when the channeling means is an orifice, said orifice is closed only at the ends of the core.
  • a series of tests were carried out to illustrate the temporal evolution of the behavior of the core trapped in a hollow form of a stiffened panel for different solutions, different temperatures of the etching bath and different concentrations of the etching solution in the bath.
  • a composite stiffened panel made from the RTM process and having at least one recessed shape is cut into a series of test pieces of the same size.
  • Each specimen has a skin, a stiffener with a hollow shape, a core trapped in the hollow form.
  • the core is made of a PMI foam, is covered with a Teflon film, and measures approximately 250 mm in length.
  • FIGS. 6 to 8 correspond to the open end 31 of the stiffener 3.
  • the skin 2 of the stiffened panel 1 is located in the lower part and the hollow form 4 of the stiffener 3 is above the skin 2.
  • Test 1 behavior of the core in a water bath
  • a first test piece is immersed in a circulating bath of pure water, at a temperature of 80 ° C.
  • the core has an orifice 53a passing through its length, of diameter 10mm.
  • the temporal evolution of the behavior of the nucleus is illustrated in FIG.
  • Test 2 behavior of the nucleus in a soda bath A second specimen is immersed in a circulating bath containing a concentration of 3% sodium hydroxide at a temperature of 80 ° C. The core is solid.
  • Test 3 behavior of the nucleus in a soda bath
  • a third specimen is immersed in a circulating bath containing a concentration of 3% sodium hydroxide, at a temperature of 80 ° C.
  • the core comprises an orifice 53a passing through its length, with a diameter of 10 mm.
  • Partial degradation (softening and detachment of the walls) of the core is observed after 4 hours and complete degradation of the core after 9 hours, leading to extraction of said core.
  • Tests have shown that the treatment with an alkaline solution does not affect the panel more than a panel treatment with water for the same temperature.
  • the mechanical behavior of the panel is substantially identical to the mechanical behavior of panels of composite material that have aged in a humid environment.
  • the panel may comprise one, two or more cores, each being prepared, put in place and extracted by applying the same method to participate in the production of the composite material panel.
  • the method according to the invention makes it possible to produce a composite material part, comprising at least one hollow shape, by withdrawing cores initially made to remain in the hollow shapes of said parts.
  • the process is economically attractive because it advantageously utilizes an inexpensive etching solution of alkaline solution, preferably sodium hydroxide, at relatively low concentrations. It can be adapted to different types of hollow forms and types of dimension, it does not penalize the duration of the industrial cycle of realization of the piece and it is easy to implement.
  • alkaline solution preferably sodium hydroxide

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'une pièce (1) en matériau composite comportant au moins une forme en creux (4). Le procédé comporte une étape de réalisation d'au moins un volume correspondant à la forme en creux au moyen d'un matériau alvéolaire rigide formant un noyau (5) et une étape de réalisation d'une structure en matériau composite de la pièce (1) autour du au moins un noyau (5). Suivant l'invention, le procédé comporte les étapes ultérieures suivantes : - réalisation d'une attaque chimique du matériau du noyau telle que ladite attaque chimique provoque une dégradation au moins partielle du au moins un noyau, puis - extraction du noyau dégradé hors de la pièce par une ouverture de la forme en creux.

Description

Procédé de réalisation de pièces de formes creuses en matériau composite
La présente invention appartient au domaine de la fabrication des pièces de formes complexes en matériau composite. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de réalisation de pièces comportant des zones creuses, le procédé mettant en oeuvre des noyaux de moulage qui se trouvent emprisonnés dans la pièce au moment de sa réalisation et qui doivent en être extraits.
Les matériaux composites sont aujourd'hui largement utilisés pour la fabrication de pièces dans de nombreux domaines industriels, en particulier dans le domaine aéronautique, y compris pour des pièces structurales, c'est à dire devant supporter des efforts significatifs de l'ordre de grandeur de leur résistance structurale lors de leur utilisation.
Les pièces en matériaux composites comportent des fibres dans une matrice, par exemple une résine, et sont le plus souvent réalisées à l'aide de moules destinés à donner au matériau utilisé la forme de ladite pièce. Le matériau fibreux, sec ou préalablement imprégné de résine, est déposé sur le moule dont il doit épouser la forme et subit un cycle plus ou moins complexe pouvant comporter des phases d'injection de résine et ou de mise en pression et ou de chauffage.
Après durcissement de la résine, souvent par polymérisation, la pièce en cours de réalisation ayant atteint les propriétés mécaniques et dimensionnelles recherchées est retirée du moule.
Une difficulté particulière rencontrée lors de la réalisation de certaines formes de la pièce, par exemple un panneau raidi comportant une peau et des raidisseurs présentant une section transversale fermée, de type oméga, est liée à l'existence de formes en creux.
Une solution connue pour réaliser la pièce comportant la forme en creux consiste à réaliser les éléments de la pièce séparément, par exemple d'un coté les raidisseurs et de l'autre coté la peau, et à procéder à un assemblage ultérieur des éléments. Mais cette solution est moins satisfaisante sur le plan industriel qu'une réalisation simultanée des différents éléments de la pièce. La réalisation simultanée des différents éléments nécessite en général d'utiliser des moules dont certains éléments, dits noyaux, peuvent se trouver emprisonnés dans la pièce au moment du démoulage.
Dans certains cas, les noyaux qui se trouvent emprisonnés dans la forme en creux de la pièce sont extraits de la pièce qui vient d'être réalisée lorsque cela est possible sans endommager la pièce, ce qui s'avère délicat lorsque le noyau n'est pas démoulable du fait de la forme de la pièce.
Une méthode connue pour extraire les noyaux sans endommager la pièce, consiste à réaliser des noyaux en plusieurs éléments assemblés pour pouvoir en être extrait par parties. Toutefois, de tels noyaux, complexes et coûteux à réaliser, ne permettent pas de répondre à toutes les formes rencontrées et les interfaces entres les différents éléments laissent des empreintes indésirables dans le matériau composite.
Une autre méthode également utilisée consiste à réaliser le noyau dans un matériau qui permet de détruire ledit noyau pour l'éliminer de la pièce par exemple par une action mécanique ou par fusion du matériau du noyau. Dans ce cas la difficulté est de trouver un matériau pour réaliser le noyau qui soit économiquement acceptable, soit apte à résister aux conditions parfois extrêmes rencontrées lors du processus de réalisation de la pièce en matériau composite, soit suffisamment stable pour résister aux manipulations et contraintes mécaniques et thermiques pendant la préparation de la pièce en respectant des tolérances de formes sévères et puisse être éliminé mécaniquement ou par fusion sans risque d'endommager la pièce. Ces combinaisons de conditions ne sont pas toujours possibles d'autant que la réalisation des raidisseurs exige en général des noyaux de faibles sections et de grandes longueurs qui sont difficiles à manipuler en raison de leur fragilité.
Une autre méthode connue consiste à réaliser un noyau dans une matière qui soit suffisamment déformable pour que ledit noyau puisse être extrait par déformation. Ainsi un noyau réalisé dans un élastomère, éventuellement comportant des évidements, pourra être extrait par étirement et striction au travers d'une ouverture généralement existante à une extrémité du raidisseur. Un défaut des noyaux utilisant une matière déformable est leur instabilité dimensionnelle due à leur faible rigidité qui ne permet pas d'obtenir la reproduction, dans les tolérances exigées par certaines applications, des résultats lors de la fabrication des pièces.
Dans d'autres cas, très nombreux, les noyaux restent emprisonnés dans la forme en creux de la pièce. Ces noyaux sont réalisés dans un matériau alvéolaire rigide. Ces noyaux sont intéressants sur le plan industriel car ils sont économiquement intéressants, ils sont aptes à résister aux conditions extrêmes rencontrées lors du processus de réalisation de la pièce en matériau composite, et suffisamment stables pour résister aux manipulations et contraintes mécaniques et thermiques pendant la préparation de la pièce en respectant des tolérances de formes sévères. Cependant, le maintien de tels noyaux dans les pièces composites entraînent une augmentation non négligeable de la masse de l'avion sans apporter de performances mécaniques supplémentaires.
Il existe donc un intérêt à proposer un procédé qui permet de retirer ce type de noyau dans les meilleures conditions.
Un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comportant au moins une forme en creux, comporte les étapes de :
- réalisation d'au moins un volume correspondant à la forme en creux au moyen d'un matériau alvéolaire rigide formant un noyau, - réalisation d'une structure en matériau composite de la pièce autour du au moins un noyau,
Suivant l'invention, le procédé comporte les étapes ultérieures suivantes :
- réalisation d'une attaque chimique du matériau du noyau telle que ladite attaque chimique provoque une dégradation au moins partielle du au moins un noyau, ladite dégradation conduisant à une diminution du volume et ou à un ramollissement du noyau, puis - extraction du noyau dégradé hors de la pièce par une ouverture de la forme en creux. Par exemple, le matériau alvéolaire est une mousse polyméthacrylimide.
Dans un exemple de mise en oeuvre, l'attaque chimique est réalisée à partir d'une solution de molécules choisies dans le groupe [soude, potasse, acide acétique, alcool méthylique, tétrahydrofurane, dimethyl sulfoxyde, ammoniaque].
De préférence, la solution est une solution essentiellement à base de soude ou de potasse.
La solution contient une concentration en soude supérieure à 0,1 %, de préférence comprise entre 0,5 et 10%, plus préférentiellement entre 2 et 4%. De préférence, pour tenir compte des dépenses énergétiques non négligeable engendrées par le chauffage de la solution et conserver l'intégrité mécanique et dimensionnelle de la pièce, l'étape d'attaque chimique du noyau est réalisée à une température de la solution inférieure à 900C.
Dans un mode de mise en oeuvre de la dégradation du noyau, l'attaque chimique est réalisée par immersion dans un bain statique de solution.
Dans un autre mode de mise en oeuvre, l'attaque chimique est réalisée par immersion dans un bain à circulation.
Dans un autre mode de mise en oeuvre, l'attaque chimique est réalisée par immersion dans un bain de solution renouvelée. De préférence, pour retirer le noyau dégradé de la pièce, un mode de mise en oeuvre consiste à placer la pièce dans une position telle que le noyau, après dégradation, s'écoule par gravité en dehors de la forme en creux par l'ouverture.
Pour faciliter le retrait du noyau de la forme en creux, le noyau est avantageusement recouvert, avant l'étape de réalisation de la pièce, d'un film souple pour faciliter le décollement du noyau. De préférence, le film est réalisé dans un matériau à base de Téflon.
Pour accélérer le processus de dégradation du noyau, ledit noyau est réalisé avec des moyens de canalisation, sur tout ou partie d'une longueur du noyau, pour faciliter une diffusion de la solution d'attaque à travers ledit noyau pendant l'étape de dégradation du noyau.
Les moyens de canalisation sont réalisés par exemple sous la forme d'un orifice à l'intérieur du noyau et ou sous la forme d'une rainure sur une paroi extérieure du noyau.
Pour éviter un remplissage des moyens de canalisation par une résine au cours de l'étape de réalisation de la structure en matériau composite de la pièce, lesdits moyens de canalisation sont comblés, pendant l'étape de réalisation du noyau, par un élément obstruant, de préférence réalisé dans un matériau en élastomère.
De façon optionnelle, pour éliminer des résidus de noyau dans la forme en creux, le procédé comporte une étape ultérieure de lavage de la pièce.
La description détaillée de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :
Figure 1 , un exemple d'un panneau raidi au moyen de raidisseurs à profil dit en oméga, Figure 2, un exemple d'un noyau prêt à être utilisé pour la réalisation du panneau raidi suivant l'invention,
Figure 3, une étape de réalisation du panneau suivant le procédé mettant en oeuvre un noyau conforme au noyau de la figure 2,
Figure 4, une étape de retrait du noyau du panneau suivant le procédé de l'invention,
Figures 5a, 5b, deux exemples de réalisation d'un moyen de canalisation dans le noyau lors de sa réalisation,
Figure 6, une illustration de l'évolution temporelle du comportement du noyau avec un moyen de canalisation dans un bain d'eau, Figure 7, une illustration de l'évolution temporelle du comportement du noyau sans moyen de canalisation dans un bain de soude,
Figure 8, une illustration de l'évolution temporelle du comportement du noyau avec un moyen de canalisation dans un bain de soude.
Le procédé suivant l'invention a pour but de réaliser une pièce en matériau composite comportant au moins une forme en creux, ladite forme étant réalisée au moyen d'un noyau qui est extrait une fois la pièce réalisée.
Les matériaux composites auxquels s'adresse préférentiellement l'invention sont les matériaux comportant des fibres, telles que par exemple des fibres de verre, de carbone ou d'aramide type Kevlar®, emprisonnées dans une matrice organique, telle que par exemple une résine polyester ou une résine époxy, et sont utilisés pour la réalisation de panneaux et de pièces comportant des formes plus ou moins complexes.
L'exemple de mise en oeuvre du procédé est décrit de manière détaillée dans son application au cas d'un panneau raidi, tel qu'illustré figure 1. Ce choix n'est pas limitatif et le procédé s'applique également à d'autres formes de panneaux raidis, à des cadres ou autres structures présentant au moins une forme en creux.
Un panneau raidi 1 en matériau composite, comme illustré sur la figure 1 , avantageusement réalisé suivant le procédé de l'invention, présente au moins une forme en creux 4 et comporte une peau 2 et des raidisseurs 3 sur une des faces 21 de la peau 2.
Le raidisseur 3 est un élément de structure de forme allongée, c'est à dire qu'il présente une dimension, la longueur L, grande devant les autres dimensions, la largeur I et la hauteur h. De manière générale, la largeur I et la hauteur h sont variables suivant la position sur la longueur et le raidisseur a une forme plus ou moins complexe sur la longueur (courbure, vrillage, changement de niveau) suivant la forme générale du panneau. Le raidisseur 3 présente une section transversale fermée creuse. Le raidisseur 3 présente, à au moins une extrémité 31 , une ouverture. A titre d'exemple non limitatif, la figure 1 illustre des raidisseurs présentant une section transversale fermée en forme de oméga.
Le procédé suivant l'invention est décrit pour un panneau comportant un raidisseur mais le procédé est applicable à un panneau comportant un, deux ou plusieurs raidisseurs. Pour réaliser le panneau de la figure 1 , une première étape consiste à réaliser un noyau 5, comme illustré sur la figure 2, qui reproduit la forme en creux du raidisseur 3 avec ses variations de formes et de sections.
Le noyau 5 est réalisé de sorte à représenter un volume correspondant sensiblement à la forme en creux finale voulue pour le raidisseur du panneau après le retrait du noyau.
Le matériau est un matériau alvéolaire.
Le matériau du noyau est réalisé de sorte à :
- être suffisamment rigide pour résister aux manipulations et contraintes mécaniques et thermiques pendant la réalisation de la structure en matériau composite du panneau,
- être apte à résister aux pressions appliquées sur le panneau pour qu'il acquière ses propriétés structurales sans être écrasé ni déformé,
- à respecter des tolérances de formes. Le matériau est par exemple une mousse polyméthacrylimide, dite mousse PMI.
Le noyau est réalisé par exemple par usinage, formage ou moulage du matériau pour s'adapter à la forme et dimensions finales souhaitées pour la forme en creux. Le noyau est par exemple réalisé en au moins deux parties qui sont maintenues entre elles par collage.
Le noyau permet ainsi, lors des étapes ultérieures de réalisation du panneau, de réserver un espace qui ne doit pas être rempli de résine et de servir de support aux fibres déposées pour former la pièce. Dans une deuxième étape, le panneau est réalisé avec le noyau à l'emplacement du creux à former dans le panneau. On utilise un moule 7 dont une surface 72 présente la forme générale souhaitée par la peau et qui comporte au moins une forme en creux correspondant à l'empreinte du au moins un raidisseur qui doit être réalisé sur la face 21 de la peau 2. Dans un mode de mise en oeuvre de la deuxième étape, comme illustré sur la figure 3, la technique connue par transfert de résine, dite RTM, est utilisée.
Dans une première phase, des fibres sèches 61 devant entrer dans la constitution du raidisseur sont déposées dans la forme en creux. Le noyau 5 est placé dans la forme en creux de telle sorte que les fibres sèches 61 déposées se retrouvent entre le moule 7 et le noyau 5. Des fibres sèches 62 devant entrer dans la constitution de la peau sont déposées sur la surface 72 du moule et recouvrent le noyau 5.
Dans une deuxième phase, une résine 63 est injectée dans le moule 7 par au moins une ouverture 71 de sorte à se répandre uniformément dans l'espace interne délimité par le moule 7 en remplissant les zones de vide entre les fibres sèches.
Dans une troisième phase, la résine est polymérisée pour solidariser les fibres entre elles. Dans un autre mode de mise en oeuvre de la deuxième étape, des fibres, dites fibres préimprégnées, sont déposées dans le moule, après avoir été enrobées avec une résine non polymérisée. La résine est ensuite polymérisée dans le moule pour provoquer le durcissement de ladite résine. Lorsque le cycle de durcissement du panneau est terminé, le panneau est sorti du moule.
A l'issue de cette deuxième étape, la structure du matériau composite du panneau peut être démoulée, le noyau étant prisonnier de la forme en creux en raison des formes complexes qui ne permettent pas son extraction naturelle.
Dans une troisième étape, une attaque chimique du matériau du noyau est réalisée pour détacher le noyau du panneau.
Le matériau du noyau est attaqué par une solution 8 de sorte à provoquer une dégradation au moins partielle dudit noyau, la dégradation consistant en une diminution du volume du noyau et ou à un ramollissement du matériau formant ledit noyau. Par diminution du volume, on entend une transformation chimique du matériau du noyau dont la conséquence est une rétractation du matériau du noyau, sans dissolution. Par ramollissement, on entend une perte de rigidité, un comportement du matériau proche d'un matériau qui s'écoule.
La solution d'attaque est choisie de sorte à dégrader le noyau sans endommager le panneau ni détériorer les performances acquises lors de sa fabrication.
La solution d'attaque est choisie de sorte à constituer un compromis entre des conditions de mise en oeuvre, en particulier une température de la solution et un temps de traitement nécessaire à la dégradation suffisante du noyau pour obtenir son extraction totale. De manière générale, plus la température est élevée, plus le temps de traitement diminue. Cependant, chauffer la solution à des températures élevées conduit à des dépenses énergétiques non négligeables et peut provoquer des endommagements inacceptables sur le panneau. De plus, suivant la solution choisie, des vapeurs peuvent être dégagées lors du chauffage de la solution et conduire à une augmentation des inconvénients liés à la maîtrise des risques en matière de sécurité et d'environnement.
De préférence, la température de la solution est choisie proche de la température ambiante de l'atelier qui est généralement comprise entre 10 et 300C. De préférence, la température de la solution est inférieure à 900C. De préférence, la température de solution est de 60° ou de 80°.
La solution d'attaque est choisie de sorte à constituer un compromis entre des conditions de mise en oeuvre, en particulier une concentration de la solution et le temps de traitement chimique. De manière générale, plus la concentration est élevée, plus le temps de traitement diminue. Toutefois, une solution trop concentrée peut se révéler difficile à manipuler en raison de sa dangerosité et peut provoquer des endommagements inacceptables sur le panneau.
Dans un exemple de mise en oeuvre, la solution est une solution réalisée à partir d'une molécule appartenant au groupe suivant :
[solutions alcalines, acide acétique (C2H4O2), alcool méthylique (CH3OH), tétrahydrofurane (THF : C4H8O), dimethyl sulfoxyde (DMSO), ammoniaque (NH4OH)]
De préférence, la solution d'attaque est une solution alcaline, par exemple l'hydroxyde de sodium, plus connu sous le nom de soude (NAOH), ou l'hydroxyde de potassium, plus connu sous le nom de potasse (KOH). Dans le cas de l'utilisation de la soude, la concentration de la soude dans la solution d'attaque choisie est supérieure à 0,1 %, de préférence comprise entre 0.5 et 10 %, et encore de préférence comprise entre 2 et 4%.
Dans le cas de l'utilisation de la potasse, la concentration de la potasse dans la solution d'attaque choisie est supérieure à 0,1 %, de préférence comprise entre 0.5 et 10 %, et encore de préférence comprise entre 2 et 4%.
Dans un mode de mise en oeuvre de la troisième étape, l'attaque chimique sur le noyau est réalisée par aspersion.
Dans un autre mode de mise en oeuvre de la troisième étape, l'attaque chimique est réalisée par immersion du panneau contenant le noyau dans un bain contenant la solution d'attaque 8, comme illustré sur la figure 4.
Dans un exemple de mise en oeuvre, l'immersion du panneau est réalisée dans un bain thermostaté statique de solution.
Pour accélérer la dégradation du noyau, un premier exemple de mise en oeuvre de l'immersion consiste à réaliser l'immersion du panneau dans un bain à circulation, thermostaté.
Un second exemple de mise en oeuvre consiste à réaliser l'immersion dans un bain de solution renouvelée. Par exemple, le panneau est soit immergé dans un bain à flux continu soit immergé dans des bains successifs.
A l'issue de la troisième étape, le noyau 5 est dégradé dans la forme en creux du panneau.
Dans une quatrième étape, le noyau dégradé 5 est retiré du panneau 1 de façon à ne pas endommager ledit panneau, ce qui est rendu possible par l'état du noyau dégradé.
Dans un mode de mise en oeuvre, le panneau est placé dans une position, par exemple sensiblement verticalement, telle que ledit noyau dégradé « s'écoule » par gravité hors de la forme en creux du panneau lorsque la dégradation atteint un stade suffisamment avancé.
De préférence, la quatrième étape du procédé peut être réalisée de manière naturelle à la fin de la troisième étape, en plaçant le panneau dans le bain de solution dans une position telle que le noyau « s'écoule » dans ledit bain de solution, comme illustré sur la figure 4.
A l'issue de la quatrième étape, le panneau est débarrassé du noyau et prend sa forme finale avec un raidisseur comportant une forme en creux.
Dans une cinquième étape, le panneau est lavé, au niveau de la forme en creux, de sorte à éliminer des résidus de noyau et obtenir une surface propre sur des surfaces internes 41 à l'intérieur de la forme en creux 4.
Selon une caractéristique du procédé, après l'étape de lavage, le panneau est soumis à une étape de neutralisation du bain d'attaque.
Dans un mode de mise en oeuvre de l'étape de neutralisation, le panneau est immergé dans un bain comportant une solution de neutralisation, par exemple une solution à base d'acide acétique lorsque la solution du bain d'attaque est réalisée à partir de soude. L'étape de neutralisation est suivie d'une étape de rinçage et de séchage du panneau.
De préférence, pour faciliter le retrait du noyau 5 de la forme en creux 4 du raidisseur 3 du panneau 1 , un film souple 51 est placé de sorte à recouvrir des parois extérieures 52 du noyau 5. Le film 51 est placé sur le noyau 5 après l'étape de réalisation dudit noyau et avant l'étape de réalisation du panneau.
Le film 51 est choisi de sorte à ne pas adhérer au composite et à former une barrière étanche à l'infiltration de la résine dans le matériau du noyau pendant l'étape de réalisation de la structure en matériau composite du panneau pour faciliter le décollement des parois extérieures 52 du noyau de la surface interne 41 de la forme en creux 4. Le film 51 est choisi de sorte qu'il présente une épaisseur suffisamment faible pour ne pas modifier sensiblement le volume du noyau. Dans un autre cas, le noyau est usiné pour tenir compte de l'épaisseur du film.
Le film est par exemple un film en Téflon. La pose du film autour du noyau permet, dans un mode de mise en oeuvre, d'extraire le noyau dégradé par une action mécanique en tirant sur ledit film au travers de l'ouverture existante à l'extrémité 31 du raidisseur 3.
De préférence, pour accélérer le processus de dégradation du noyau, le noyau 5 est réalisé de sorte à comporter des moyens de canalisation 53, sur tout ou partie de la longueur dudit noyau, pour faciliter une diffusion de la solution d'attaque à travers ledit noyau.
Les moyens de canalisation 53a, 53b sont réalisés de sorte à avoir une dimension adaptée à la dimension du noyau 5.
Dans un exemple de réalisation, les moyens de canalisation sont réalisés sous la forme d'un orifice 53a traversant ou non à l'intérieur du noyau, comme illustré sur la figure 5a.
Dans un autre exemple de réalisation, associés ou non aux moyens de canalisation précédents, les moyens de canalisation sont réalisés sous la forme d'une rainure 53b en surface du noyau, comme illustré sur la figure 5b. Dans un mode de mise en oeuvre, les moyens de canalisation 5 sont usinés. Avantageusement, l'usinage desdits moyens de canalisation est réalisé pendant la phase d'usinage du noyau aux dimensions de la forme en creux.
Pour éviter un remplissage des moyens de canalisation 53 par la résine
63 lors de l'étape de réalisation de la structure en matériau composite du panneau, lesdits moyens de canalisation sont remplis au moyen d'un élément obstruant avant ladite étape de réalisation de la structure en matériau composite du panneau.
Ledit élément est réalisé dans un matériau élastomère, résistant et élastique, apte à se déformer et à être extrait facilement. L'élément obstruant est retiré du noyau après l'étape de démoulage du panneau et avant l'étape de réalisation de l'attaque chimique, par étirement ou par striction au travers de l'ouverture de l'extrémité 31 du raidisseur 3.
Dans un mode de mise en oeuvre, lorsque les moyens de canalisation sont un orifice, ledit orifice est obturé seulement au niveau des extrémités du noyau. Une série de tests a été réalisée pour illustrer l'évolution temporelle du comportement du noyau emprisonné dans une forme en creux d'un panneau raidi pour différentes solutions, différentes températures du bain d'attaque et différentes concentrations de la solution d'attaque dans le bain.
Pour ces tests, une série d'éprouvettes a été réalisée. Un panneau raidi composite, réalisé à partir du procédé RTM, et comportant au moins une forme en creux est découpé en une série d'éprouvettes de même dimension.
Chaque éprouvette comporte une peau, un raidisseur avec une forme en creux, un noyau emprisonné dans la forme en creux. La forme en creux a une section fermée en forme de oméga, (longueur L = 250mm, largeur = 95mm, hauteur = 30mm). Le noyau est réalisé dans une mousse PMI, est recouvert d'un film Téflon, et mesure environ 250 mm de longueur.
Les différentes illustrations des figures 6 à 8 correspondent à l'extrémité ouverte 31 du raidisseur 3. La peau 2 du panneau raidi 1 est située dans la partie basse et la forme en creux 4 du raidisseur 3 est au dessus de la peau 2.
Essai 1 : comportement du noyau dans un bain d'eau A titre de référence, une première éprouvette est immergée dans un bain à circulation d'eau pure, à une température de 800C. Le noyau comporte un orifice 53a traversant sa longueur, de diamètre 10mm. L'évolution temporelle du comportement du noyau est illustrée sur la figure 6.
On constate une absence totale de dégradation (ni ramollissement ni décollement des parois) du noyau après 18h d'immersion.
Essai 2 : comportement du noyau dans un bain de soude Une deuxième éprouvette est immergée dans un bain à circulation contenant une concentration de soude à 3%, à une température de 800C. Le noyau est plein.
L'évolution temporelle du comportement du noyau est illustrée sur la figure 7.
On constate une dégradation sensible (ramollissement) du noyau au bout d'une dizaine d'heure et une attaque quasi complète du noyau au bout d'une vingtaine d'heure.
Essai 3 : comportement du noyau dans un bain de soude
Une troisième éprouvette est immergée dans un bain à circulation contenant une concentration de soude à 3%, à une température de 800C. Le noyau comporte un orifice 53a traversant sa longueur, de diamètre 10mm.
L'évolution temporelle du comportement du noyau est illustrée sur la figure 8.
On constate une dégradation partielle (ramollissement et décollement des parois) du noyau au bout de 4 heures et une dégradation totale du noyau au bout de 9 heures, conduisant à une extraction dudit noyau.
Des essais complémentaires (non représentés) ont été réalisés afin de contrôler le comportement mécanique du panneau en matériau composite suite à un traitement avec une solution alcaline pour extraire le noyau.
Les essais ont montré que le traitement avec une solution alcaline n'affecte pas plus le panneau qu'un traitement du panneau à l'eau pour une même température. Le comportement mécanique du panneau est sensiblement identique au comportement mécanique de panneaux en matériau composite qui ont vieilli en environnement humide.
Par exemple, pour un traitement d'un panneau dans un bain de soude à
3% de concentration, à une température de 80°C et pour une durée de 25 heures, des essais mécaniques de type cisaillement interlaminaire montrent un abattement d'environ 4% des propriétés mécaniques du panneau, abattement qui est sensiblement identique pour un panneau soumis à un bain d'eau dans les mêmes conditions de réalisation.
Le panneau peut comporter un, deux ou plusieurs noyaux, chacun étant préparé, mis en place et extrait par application du même procédé pour participer à la réalisation du panneau en matériau composite.
Le procédé suivant l'invention permet de réaliser une pièce en matériau composite, comportant au moins une forme en creux, en retirant des noyaux initialement réalisés pour rester dans les formes en creux desdites pièces.
Le procédé est économiquement intéressant car il utilise avantageusement une solution d'attaque peu coûteuse de solution alcaline, de préférence la soude, à des concentrations relativement faibles. Il peut être adapté à différents types de formes en creux et de types de dimension, il ne pénalise pas la durée du cycle industriel de réalisation de la pièce et il est facile à mettre en oeuvre.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Procédé de réalisation d'une pièce (1 ) en matériau composite comportant au moins une forme en creux (4), comportant les étapes de :
- réalisation d'au moins un volume correspondant à la forme en creux au moyen d'un matériau alvéolaire rigide formant un noyau (5),
- réalisation d'une structure en matériau composite de la pièce (1 ) autour du au moins un noyau (5), caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes ultérieures suivantes :
- réalisation d'une attaque chimique du matériau du noyau telle que ladite attaque chimique provoque une dégradation au moins partielle du au moins un noyau, ladite dégradation conduisant à une diminution du volume et ou à un ramollissement du noyau, puis
- extraction du noyau dégradé hors de la pièce par une ouverture de la forme en creux. 2- Procédé suivant la revendication 1 dans lequel le matériau alvéolaire est une mousse polyméthacrylimide.
3- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel l'attaque chimique est réalisée à partir d'une solution (8) de molécules choisies dans le groupe [soude, potasse, acide acétique, alcool méthylique, tétrahydrofurane, dimethyl sulfoxyde, ammoniaque].
4- Procédé suivant la revendication 3 dans lequel la solution (8) est une solution essentiellement à base de soude ou de potasse.
5- Procédé suivant la revendication 4 dans lequel la solution (8) contient une concentration en soude supérieure à 0,1 %. 6- Procédé suivant la revendication 5 dans lequel la solution (8) contient une concentration en soude comprise entre 0,5 et 10%.
7- Procédé suivant la revendication 6 dans lequel la solution (8) contient une concentration en soude comprise entre 2 et 4%. 8- Procédé suivant l'une des revendications 2 à 7 dans lequel l'étape d'attaque chimique du noyau est réalisée à une température de la solution (8) inférieure à 900C.
9- Procédé suivant l'une des revendications 2 à 8 dans lequel l'attaque chimique est réalisée par immersion dans un bain statique de solution.
10- Procédé suivant l'une des revendications 2 à 8 dans lequel l'attaque chimique est réalisée par immersion dans un bain de solution renouvelée.
11 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la pièce (1 ) est placée dans une position telle que le noyau (5), après dégradation, s'écoule par gravité en dehors de la forme en creux par l'ouverture.
12- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le noyau (5) est recouvert, avant l'étape de réalisation de la pièce, d'un film souple (51 ) pour faciliter le décollement du noyau (5). 13- Procédé suivant la revendication 12 dans lequel le film (51 ) est réalisé dans un matériau à base de Téflon.
14- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le noyau (5) est réalisé avec des moyens de canalisation (53a, 53b), sur tout ou partie d'une longueur du noyau, pour faciliter une diffusion de la solution d'attaque à travers ledit noyau pendant l'étape de dégradation du noyau.
15- Procédé suivant la revendication 14 dans lequel les moyens de canalisation (53) sont réalisés sous la forme d'un orifice (53a) à l'intérieur du noyau.
16- Procédé suivant l'une des revendications 14 ou 15 dans lequel les moyens de canalisation (53) sont réalisés sous la forme d'une rainure (53b) sur une paroi extérieure (52) du noyau (5).
17- Procédé suivant l'une des revendications 14 à 16 dans lequel les moyens de canalisation sont comblés, pendant l'étape de réalisation du noyau, par un élément obstruant pour éviter un remplissage des moyens de canalisation (53) par une résine (63) au cours de l'étape de réalisation de la structure en matériau composite de la pièce. - Procédé suivant la revendication 17 dans lequel l'élément obstruant est réalisé dans un matériau en élastomère. - Procédé suivant l'une des revendications précédentes comportant une étape ultérieure de lavage de la pièce pour éliminer des résidus de noyau dans la forme en creux (4).
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