WO2013127965A1 - Procédé et dispositif pour le compactage et la consolidation d'un panneau composite de forte épaisseur à matrice thermoplastique - Google Patents

Procédé et dispositif pour le compactage et la consolidation d'un panneau composite de forte épaisseur à matrice thermoplastique Download PDF

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WO2013127965A1
WO2013127965A1 PCT/EP2013/054105 EP2013054105W WO2013127965A1 WO 2013127965 A1 WO2013127965 A1 WO 2013127965A1 EP 2013054105 W EP2013054105 W EP 2013054105W WO 2013127965 A1 WO2013127965 A1 WO 2013127965A1
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shims
containment
perimeter
marble
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Didier Kurtz
Julie VAUDOUR
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Daher Aerospace
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for compacting and consolidating a thick composite panel with a thermoplastic matrix.
  • the invention is more particularly adapted to the manufacture of a thermoplastic panel used for aeronautical applications, particularly for the structure of an aircraft in areas liable to be subjected to impacts, such as the panel, called cap, located at above the cockpit or for the manufacture of highly stressed structural parts, such as the masts supporting the engines, without these application examples being limiting.
  • the invention relates both to the manufacture of a flat panel as that of a panel having a curvature.
  • Thermoplastic matrix composites more particularly composites with continuous fiber reinforcement in the form of carbon fibers in a matrix of polyetheretherketone or PEEK, are known for their combination of mechanical characteristics, impact resistance and fire behavior.
  • the reinforcement rate in the composite is greater than 50% and can reach 65%.
  • the term "thick" means panels whose thickness is greater than 20 mm, that is to say more than 150 folds of reinforcement.
  • EP-B-2 064 050 discloses a method and a device for producing a thermoplastic matrix composite board having a thickness of between 2 mm and 20 mm.
  • the method which is the subject of the invention is a so-called "off-autoclave" process using only the vacuum drawing of the stack of folds in order to obtain the compacting and consolidation thereof.
  • the method which is the subject of the invention is particularly advantageous for the manufacture of a large panel whose matrix consists of a polymer with a high melting point such as PEEK.
  • the method of the prior art proves poorly suited to the manufacture of a panel intended for a structural aeronautical application and whose finished thickness is greater than 10 mm, that is to say that said panel comprises a stack Moreover 70 folds. Indeed, the risk that a panel of this thickness and obtained by this method of the prior art has a porosity rate incompatible with the intended application is very significant, leading to scrap rates that increase the cost of manufacturing of this panel.
  • the invention aims to solve the disadvantages of the prior art and concerns for this purpose a device for compacting and consolidating a stack of fibrous folds pre-impregnated with a thermoplastic polymer, suitable for being placed in an oven, which device comprises:
  • shims said containment shims, resting on the marble and defining the perimeter of the stack, said shims having open grooves opening into the perimeter of the stack;
  • a flexible compaction plate with a surface equal to the surface of the stack but capable of being inserted inside the perimeter delimited by the containment shims;
  • means for evacuating the thus wrapped volume comprising a plurality of orifices in the marble, said plurality consisting of openings opening out of the perimeter of the stack.
  • the device that is the subject of the invention makes it possible to obtain optimum compacting of the stack of folds, by directly draining the gases included in this stack by the periphery thereof.
  • This characteristic is obtained by the grooved confinement shims which cooperate with the flexible compacting plate to, firstly, control the volume and thickness of the panel during the melting of the polymer constituting the matrix, and secondly, ensure the uniformity of the compaction pressure on the stack of folds.
  • Peripheral drainage is obtained by the cooperation of the grooves in the holds and the position of the vacuum draw holes located outside the perimeter of the stack.
  • the invention also relates to a method of compacting - consolidating a stack of fibrous plies pre-impregnated with a thermoplastic polymer, using a device according to the invention, which method comprises the steps of:
  • the method which is the subject of the invention draws the stack of folds empty during the entire heating process, and more particularly before the melting of the thermoplastic polymer.
  • the arrangement of the suction of the device which is the subject of the invention makes it possible to obtain appropriate levels of compaction thanks to effective degassing of the stack.
  • the small surface defects of pre-impregnated and non-tacky folds are enough to achieve the degassing of the stack by the peripheral suction by means of grooves made in the wedges of confinement until the fusion of the polymer constituting the matrix.
  • Peripheral suction makes it possible to take advantage of this effect for longer than an aspiration carried out essentially through the thickness of the stack as according to the method of the prior art.
  • the application of two vacuum levels makes it possible to carry out this degassing up to the melting temperature of the thermoplastic polymer constituting the matrix, then to compact the assembly by the sheet of compaction at the second level of vacuum, while the resin is at a temperature sufficient to impregnate the fibers of the reinforcement. Since this compacting plate does not rest on the wedges and is flexible, it produces a uniform support on the stack by avoiding localized supports that can generate spinning, crease undulations and compacting defects.
  • the containment shims are substantially wedge-shaped, the thickness of a wedge between its top and its bearing surface on the marble being degressive from the face of the shim delimiting the perimeter of the stack, forming a inclined pan, which inclined pan is grooved.
  • This characteristic substantially improves the degassing of the stack by the periphery and also ensures a uniform pressure in the direction perpendicular to the stack of the vacuum cover on the compacting plate.
  • the bearing face of the containment shims on the marble is grooved.
  • the peripheral suction is improved in the lower part of the stack, in contact with the marble.
  • the face of the containment shims delimiting the perimeter of the stack is grooved.
  • the peripheral suction is improved over the entire thickness of the stack.
  • the containment shims are made of steel. Thus, they have the rigidity sufficient to contain the volume of the stack during compaction and consolidation thereof.
  • the compacting plate is a titanium sheet having a thickness less than or equal to 0.5 mm.
  • the resistance of this material is adapted to maintain an elastic behavior at a temperature corresponding to the melting temperature of the polymer constituting the matrix, including for high melting temperatures of the order of 400 ° C., while retaining the flexibility required given the small thickness of the sheet and the elastic modulus of titanium.
  • FIGS. 1 and 4 are schematic sectional views along a sectional plane defined in Figure 3, an embodiment of the device of the invention
  • FIG. 2 relating to the prior art is a schematic sectional view of a compacting consolidation device brought to the melting temperature of the thermoplastic polymer constituting the matrix of the composite;
  • FIG. 3 is a diagrammatic view from above of an exemplary embodiment of the device that is the subject of the invention.
  • FIG. 4 is a flowchart of the method which is the subject of the invention.
  • the device (100) object of the invention is suitable for compacting and consolidating a stack (1 10) of fibrous folds pre-impregnated with a thermoplastic polymer.
  • Said fibrous plies are, according to an exemplary embodiment adapted to the manufacture of panels intended for aeronautical applications, unidirectional sheets of carbon fibers filmed by a thermoplastic polymer such as PEEK.
  • the device (100) which is the subject of the invention is suitable for consolidating folds made of fabrics, powdered with a thermoplastic polymer or comprising co-mixed thermoplastic fibers.
  • the device which is the subject of the invention is suitable for compacting and consolidating a stack (110) comprising more than 150 plies, ie a panel whose finished thickness is greater than 20 mm for a rate of reinforcements of the order 65%.
  • the stack (1 10) is draped directly on the surface of a marble (120) reproducing the shape of the panel to obtain. Draping is manual or automated.
  • the pre-impregnated plies not being tacky the stack is stabilized, according to an exemplary embodiment, by sticking the first ply on the surface of the marble (120) by adhesive strips, the successive folds of the stack being bound to each other and to this first fold by spot welds, in the form of points or welding lines.
  • the stack being draped, it is enclosed in containment shims (130) delimiting the periphery of said stack (1 10) and fixed to the marble (120), for example, by means of high temperature resistant adhesive tapes, or by obstacle by means of pions.
  • said containment shims (130) are substantially wedge-shaped, the uppermost part being placed on the side of the stack (1 10).
  • Such a containment shim (130) advantageously comprises a plurality of grooves (131, 132, 133) open and opening the one in the other on several faces of said wedge (130) in particular, on the bearing face of the wedge on the marble, on the face of the wedge delimiting the perimeter of the stack, and on the upper face in inclined section of this hold.
  • the marble (120) and the containment shims (130) advantageously consist of steel, preferably a so-called tool steel, comprising 0.4% of carbon, 2% of chromium, manganese and molybdenum, a tensile strength greater than or equal to 1000 M Pa.
  • the face of the containment shims (130) delimiting the perimeter of the stack (120) is separated from said stack by a drainage fabric (135) consisting of a fabric of fine glass.
  • the marble (120) is pierced with a plurality of suction orifices (125) connected by a suitable circuit to a vacuum pump (150).
  • a compacting plate (140) is placed at the top of the stack.
  • the dimensions of this compacting plate (140) are such that it covers the stack (110) without resting on the top of the containment shims (130).
  • the compacting plate is flexible. This combination of features allows it to uniformly support the entire surface of the stack.
  • Figure 2 relating to the prior art, is amplified the action of a compacting plate (240) according to the prior art, resting on the containment shims (230) during the consolidation of a stacking (210) folds for forming a composite panel.
  • the Applicant has shown that, due to the inevitable edge effects, when the thermoplastic polymer constituting the matrix is in fusion, the top of the stack takes a substantially convex shape.
  • the compaction sheet (240), rigid according to the prior art, is supported on the containment shims (230) which are slightly lower than the final thickness of the piece.
  • the compacting plate although maintaining the volume, does not apply uniform pressure to said stack (210) thereby producing defects.
  • the consolidation takes place at high temperature, for example 400 ° C., the mechanical characteristics of the material constituting the compacting plate fall, so that said sheet (240) also tends to deform but concavely, amplifying thus the phenomenon of local support.
  • a drainage fabric (152) for example in the form a coarse glass cloth is placed over the compacting plate, which fabric (152) extends to the surface of the marble (120).
  • the containment shims comprise straight shims (130) and wedges (330) all grooved, so as to surround the perimeter of the stack (110), the drainage fabric (135) in contact with the stack (110) also extending over the entire perimeter.
  • the method of the invention comprises a first draping step (410) of performing the stack on the marble.
  • the face of the marble on which the stack is made is advantageously coated with an aqueous base release agent of the CIREX® SI 041 WB type distributed by SICOMIN 31 avenue de la Lardière 13 161leneuf les Martigues FRANCE.
  • an installation step (420) the containment shims and the drainage fabric are installed along the perimeter of the stack.
  • the compacting plate, the drainage fabric, the vacuum cover and the sealing means are installed, the device is then connected to the vacuum pump.
  • the face of the compacting plate in contact with the stack is also coated with a CIREX®-type release agent.
  • the device During a step (440) of charging, the device is placed in an oven.
  • the temperature of the oven is brought to the melting point of the thermoplastic polymer by producing in the chamber defined by the vacuum cover a first vacuum level while carrying the pressure of said chamber at a value between 10 and 100 Pa.
  • a compacting step (460) the temperature of the oven is raised to a temperature higher than the melting temperature of the polymer, sufficient to obtain the impregnation of the fibrous reinforcements by said polymer, for example, a temperature of 400.degree. ° C for PEEK.
  • the vacuum in the chamber delimited by the vacuum cover is pushed to lower the pressure in this chamber to a value between 0.1 and 0.01 Pa.
  • the viscosity of the thermoplastic polymer in the molten state prevents it to cross the drainage fabric surrounding the perimeter of the stack and to be sucked by the pump.
  • the effect of increasing the vacuum is especially to increase the pressure of the compacting plate on the stack, which carries out the compacting of the assembly.
  • a cooling step (470) heating the oven and cut, the vacuum being maintained until the temperature in the stack reaches the glass transition temperature of the polymer constituting the matrix of the composite.
  • the assembly is demolded during a demolding step (480). If necessary, the panel thus formed is subject to finishing operations, including trimming, or addition by welding stiffeners on its surface.
  • the invention achieves the desired objectives, in particular by separating the degassing (450) and compacting (460) phases by the use of lateral degassing and deaerating.
  • a compacting plate (140) flexible the device and method of the invention allow the realization of a thick thermoplastic panel, which panel can be advantageously used, especially as a fuselage panel of an aircraft in a an area subject to the risk of impact, in particular the cap of the said aircraft, in order to reduce the mass and the fuel consumption of this aircraft.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) de compactage et de consolidation d'un empilement (110) de plis fibreux pré-imprégnés d'un polymère thermoplastique, apte à être placé en étuve, caractérisé en ce qu'il comporte: - des cales (130), dites cales de confinement, prenant appui sur le marbre (120) et délimitant le périmètre de l'empilement, lesdites cales (130) comportant des rainures (131, 132, 133) ouvertes débouchant dans le périmètre de l'empilement; - une tôle (140) de compactage flexible de surface égale à la surface de l'empilement (110) mais apte à s'insérer à l'intérieur du périmètre délimité par les cales de confinement (130); - des moyens (150, 125) pour tirer au vide le volume ainsi enveloppé comprenant une pluralité d'orifices (125) dans le marbre (120), ladite pluralité consistant en des orifices débouchant à l'extérieur du périmètre de l'empilement. L'invention concerne également un procédé mettant en oeuvre ce dispositif pour la réalisation d'un panneau composite à matrice thermoplastique de forte épaisseur.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POUR LE COMPACTAGE ET LA
CONSOLIDATION D'UN PANNEAU COMPOSITE DE FORTE ÉPAISSEUR À
MATRICE THERMOPLASTIQUE
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour le compactage et la consolidation d'un panneau composite de forte épaisseur à matrice thermoplastique. L'invention est plus particulièrement adaptée à la fabrication d'un panneau thermoplastique utilisé pourdes applications aéronautiques notamment pour la structure d'un aéronef dans des zones susceptibles d'être soumises à des impacts, tels que le panneau, dit de casquette, situé au dessus du cockpit ou encore pour la fabrication de pièces de structure fortement sollicitées, telles que les mâts supportant les moteurs, sans que ces exemples d'application ne soient limitatifs. L'invention concerne tant la fabrication d'un panneau plan que celle d'un panneau présentant une courbure.
Les composites à matrice thermoplastique, plus particulièrement les composites à renfort fibreux continu sous la forme de fibres de carbone dans une matrice constituée de polyétheréthercétone ou PEEK, sont connus pour leur combinaison de caractéristiques mécaniques, de résistance aux impacts et de comportement au feu. Pour des applications structurales exigeantes, telles que les exemples d'application précédents, le taux de renfort dans le composite est supérieur à 50 % et peut atteindre 65 %. Le terme « forte épaisseur » désigne des panneaux dont l'épaisseur est supérieure à 20 mm, c'est à dire comprenant plus de 150 plis de renfort.
Le document EP-B-2 064 050 décrit un procédé et un dispositif pour la fabrication d'un panneau composite à matrice thermoplastique dont l'épaisseur est comprise entre 2 mm et 20 mm. Comme le procédé décrit dans ce document de l'art antérieur, le procédé objet de l'invention est un procédé dit « hors autoclave » n'utilisant que le tirage au vide de l'empilement de plis pour en obtenir le compactage et la consolidation. Ainsi, le procédé objet de l'invention est particulièrement avantageux pour la fabrication d'un panneau de grande dimension dont la matrice est constituée d'un polymère à haut point de fusion tel que le PEEK.
Le procédé de l'art antérieur s'avère peu adapté à la fabrication d'un panneau destiné à une application aéronautique structurale et dont l'épaisseur finie est supérieure à 10 mm, c'est-à-dire que ledit panneau comporte un empilement de plus de 70 plis. En effet, le risque qu'un panneau de cette épaisseur et obtenu par ce procédé de l'art antérieur présente un taux de porosité incompatible avec l'application visée est très significatif, conduisant à des taux de rebut qui augmentent le coût de fabrication de ce panneau.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin un dispositif de compactage et de consolidation d'un empilement de plis fibreux préimprégnés d'un polymère thermoplastique, apte à être placé en étuve, lequel dispositif comporte :
a. un marbre de drapage ;
b. des cales, dites cales de confinement, prenant appui sur le marbre et délimitant le périmètre de l'empilement, lesdites cales comportant des rainures ouvertes débouchant dans le périmètre de l'empilement ;
c. un tissu de verre de garnissage sur la face des cales de confinement délimitant le périmètre de l'empilement ;
d. une tôle de compactage flexible de surface égale à la surface de l'empilement mais apte à s'insérer à l'intérieur du périmètre délimité par les cales de confinement ;
e. des moyens pour envelopper de manière étanche l'empilement de plis, les cales de confinement et la tôle de compactage ;
f . des moyens pour tirer au vide le volume ainsi enveloppé comprenant une pluralité d'orifices dans le marbre, ladite pluralité consistant en des orifices débouchant à l'extérieur du périmètre de l'empilement.
Ainsi, le dispositif objet de l'invention permet d'obtenir un compactage optimum de l'empilement de plis, en drainant directement les gaz compris dans cet empilement par la périphérie de celui-ci. Cette caractéristique est obtenue par les cales de confinement rainurées qui coopèrent avec la tôle de compactage flexible pour, d'une part, maîtriser le volume et l'épaisseur du panneau lors de la fusion du polymère constituant la matrice, et d'autre part, assurer l'uniformité de la pression de compactage sur l'empilement de plis. Le drainage en périphérie est obtenu par la coopération des rainures pratiquées dans les cales et par la position des orifices de tirage au vide situés à l'extérieur du périmètre de l'empilement.
L'invention concerne également un procédé de compactage - consolidation d'un empilement de plis fibreux pré-imprégnés d'un polymère thermoplastique, utilisant un dispositif selon l'invention, lequel procédé comprend les étapes consistant à :
i. draper un empilement de plis pré-imprégnés sur le marbre ;
ii. entourer le périmètre de l'empilement ainsi créé avec les cales de confinement dont la face en contact avec l'empilement est garnie d'un tissu drainant ;
iii. placer la tôle de compactage au sommet de l'empilement
iv. recouvrir la tôle de compactage et les cales de confinement d'un tissu drainant ;
v. emballer le tout dans une bâche à vide étanche ;
vi. placer l'ensemble dans une étuve ;
vii. tirer à un premier niveau de vide correspondant à une première valeur de dépression, le volume contenu entre la bâche à vide et le marbre ; viii. porter l'ensemble à la température de fusion du polymère constituant la matrice en poursuivant le tirage au vide du volume contenu entre la bâche à vide et le marbre ;
ix. tirer le volume contenu entre la bâche à vide et le marbre à un second niveau de vide, correspondant à une seconde valeur de dépression supérieure à la première.
Ainsi le procédé objet de l'invention tire au vide l'empilement de plis pendant tout le processus de chauffage, et plus particulièrement avant la fusion du polymère thermoplastique. Selon un effet surprenant, la disposition de l'aspiration du dispositif objet de l'invention permet d'obtenir des niveaux de compactage appropriés grâce à un dégazage efficace de l'empilement. Sans être lié par cette explication, il est supposé que les petits défauts d'état de surface des plis pré-imprégnés et non pégueux suffisent à réaliser le dégazage de l'empilement par l'aspiration périphérique au moyen des rainures pratiquées dans les cales de confinement, jusqu'à la fusion du polymère constituant la matrice. L'aspiration périphérique permet de profiter de cet effet plus longtemps qu'une aspiration réalisée essentiellement à travers l'épaisseur de l'empilement comme selon le procédé de l'art antérieur. L'application de deux niveaux de vide, permet de réaliser ce dégazage jusqu'à la température de fusion du polymère thermoplastique constituant la matrice, puis de compacter l'ensemble par la tôle de compactage au deuxième niveau de vide, alors que la résine est à une température suffisante pour réaliser l'imprégnation des fibres du renfort. Cette tôle de compactage ne reposant pas sur les cales et étant flexible, elle produit un appui uniforme sur l'empilement en évitant les appuis localisés susceptibles de générer des essorages, des ondulations de plis et des défauts de compactage.
L'invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation exposés ci-après, lesquels sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
Avantageusement, les cales de confinement sont sensiblement en forme de coin, l'épaisseur d'une cale entre son sommet et sa surface d'appui sur le marbre étant dégressive depuis la face de la cale délimitant le périmètre de l'empilement, formant un pan incliné, lequel pan incliné est rainuré. Cette caractéristique améliore sensiblement le dégazage de l'empilement par la périphérie et assure également une pression uniforme dans le sens perpendiculaire à l'empilement de la bâche à vide sur la tôle de compactage.
Avantageusement, la face d'appui des cales de confinement sur le marbre est rainurée. Ainsi, l'aspiration périphérique est améliorée dans la partie inférieure de l'empilement, en contact avec le marbre.
Avantageusement, la face des cales de confinement délimitant le périmètre de l'empilement est rainurée. Ainsi, l'aspiration périphérique est améliorée sur toute l'épaisseur de l'empilement.
Avantageusement, les cales de confinement sont en acier. Ainsi, celles-ci disposent de la rigidité suffisante pour contenir le volume de l'empilement lors du compactage et de la consolidation de celui-ci.
Avantageusement, la tôle de compactage est une feuille de titane d'une épaisseur inférieure ou égale à 0,5 mm. Ainsi, la résistance de ce matériau est adaptée pour conserver un comportement élastique à une température correspondant à la température de fusion du polymère constituant la matrice, y compris pour des températures de fusion élevées de l'ordre de 400 °C, tout en conservant la flexibilité requise compte tenu de la faible épaisseur de la tôle et du module élastique du titane.
L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 et 4, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe selon un plan de coupe défini figure 3, d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention ;
- la figure 2, relative à l'art antérieur est une vue schématique en coupe d'un dispositif de compactage consolidation porté à la température de fusion du polymère thermoplastique constituant la matrice du composite ;
- la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention ;
- et la figure 4 est un organigramme du procédé objet de l'invention.
Figure 1 , selon un exemple de réalisation, le dispositif (100) objet de l'invention est adapté au compactage et à la consolidation d'un empilement (1 10) de plis fibreux préimprégnés d'un polymère thermoplastique. Lesdits plis fibreux sont, selon un exemple de réalisation adaptés à la fabrication de panneaux destinés à des applications aéronautiques, des nappes unidirectionnelles de fibres de carbone filmées par un polymère thermoplastique tel que du PEEK. Alternativement, le dispositif (100) objet de l'invention est adapté à la consolidation de plis constitués de tissus, poudrés d'un polymère thermoplastique ou comprenant des fibres thermoplastiques co-mêlées. Le dispositif objet de l'invention est adapté au compactage et à la consolidation d'un empilement (110) comprenant plus de 150 plis, soit un panneau dont l'épaisseur finie est supérieure à 20 mm pour un taux de renforts de l'ordre de 65 %.
L'empilement (1 10) est drapé directement sur la surface d'un marbre (120) reproduisant la forme du panneau à obtenir. Le drapage est manuel ou automatisé. Les plis pré-imprégnés n'étant pas pégueux, l'empilement est stabilisé, selon un exemple de réalisation, en collant le premier pli sur la surface du marbre (120) par des bandes adhésives, les plis successifs de l'empilement étant liés uns aux autres et à ce premier pli par des soudures ponctuelles, sous forme de points ou de lignes de soudage. L'empilement étant drapé, celui-ci est enserré dans des cales de confinement (130), délimitant la périphérie dudit empilement (1 10) et fixées au marbre (120), par exemple, au moyen de bandes adhésives résistant à haute température, ou encore par obstacle au moyen de pions. Selon un exemple de réalisation, lesdites cales (130) de confinement sont sensiblement en forme coin, la partie la plus haute étant placée du côté de l'empilement (1 10). Une telle cale (130) de confinement comporte avantageusement une pluralité de rainures (131 , 132, 133) ouvertes et débouchant les unes dans les autres sur plusieurs faces de ladite cale (130) notamment, sur la face d'appui de la cale sur le marbre, sur la face de la cale délimitant le périmètre de l'empilement, et sur la face supérieure en pan inclinée de cette cale. Le marbre (120) et les cales de confinement (130) sont avantageusement constitués d'acier, préférentiellement d'un acier, dit d'outillage, comprenant 0,4 % de carbone, 2 % de chrome, du manganèse et du molybdène, d'une résistance en traction supérieure ou égale à 1000 M Pa. La face des cales de confinement (130) délimitant le périmètre de l'empilement (120) est séparée dudit empilement par un tissu de drainage (135) constitué d'un tissu de verre fin. Le marbre (120) est percé d'une pluralité d'orifices (125) d'aspiration, connectés par un circuit approprié à une pompe (150) à vide. Ces orifices (150) débouchent tous à l'extérieur de l'empilement, de sorte que la surface du marbre (120) sur laquelle est réalisé le drapage de l'empilement est lisse. Une tôle de compactage (140) est placée au sommet de l'empilement. Les dimensions de cette tôle (140) de compactage sont telles, qu'elle recouvre l'empilement (110) sans reposer sur le sommet des cales (130) de confinement. La tôle de compactage est flexible. Cette combinaison de caractéristiques lui permet d'appuyer de manière uniforme sur toute la surface de l'empilement.
En effet, la figure 2 relative à l'art antérieur, représente de manière amplifiée l'action d'une tôle de compactage (240) selon l'art antérieur, reposant sur les cales de confinement (230) durant la consolidation d'un empilement (210) de plis pour la constitution d'un panneau composite. La demanderesse a mis en évidence que, du fait des effets de bord inévitables, lorsque le polymère thermoplastique constituant la matrice est en fusion, le sommet de l'empilement prend une forme sensiblement convexe. La tôle de compactage (240), rigide selon l'art antérieur, est en appui sur les cales de confinement (230) lesquelles sont légèrement moins hautes que l'épaisseur finale de la pièce. Ainsi, la tôle de compactage, bien que maintenant le volume, n'applique pas une pression uniforme sur ledit empilement (210) produisant ainsi des défauts. De plus, lorsque la consolidation a lieu à haute température, par exemple 400 °C, les caractéristiques mécaniques du matériau constituant la tôle de compactage chutent, de sorte que la dite tôle (240) tend également a se déformer mais de manière concave, amplifiant ainsi le phénomène d'appui local.
En revenant à la figure 1 , un tissu de drainage (152) par exemple sous la forme d'un tissu de verre grossier est placé au-dessus de la tôle de compactage, lequel tissu (152) s'étend jusqu'à la surface du marbre (120). Une vessie (155) ou bâche à vide associée à des moyens d'étanchéité (151 ), les deux (151 , 155) étant adaptés à la température d'utilisation du dispositif, créent un volume étanche, dans lequel les moyens d'aspiration (125, 151 ) peuvent créer le vide.
Figure 3, selon une vue de dessus, les cales de confinement comprennent des cales droites (130) et des cales d'angle (330) toutes rainurées, de sorte à entourer le périmètre de l'empilement (110), le tissu de drainage (135) au contact de l'empilement (110) se prolongeant également sur tout le périmètre.
Figure 4, selon un exemple de réalisation, le procédé objet de l'invention comprend une première étape de drapage (410) consistant à réaliser l'empilement sur le marbre. La face du marbre sur laquelle est réalisé empilement est avantageusement enduite d'un agent démoulant à base aqueuse de type CIREX® SI 041 WB distribué par SICOMIN 31 avenue de la Lardière 13 161 Châteauneuf les Martigues FRANCE. Au cours d'une étape d'installation (420) les cales de confinement et le tissu de drainage sont installés le long du périmètre de l'empilement. Au cours d'une étape d'emballage (430), la tôle de compactage, le tissu de drainage, la bâche à vide et les moyens d'étanchéité sont installés, le dispositif est alors connecté à la pompe à vide. Avantageuement, la face de la tôle de compactage au contact de l'empilement est également enduite d'un agent démoulant de type CIREX®. Au cours d'une étape (440) d'enfournement, le dispositif est placé en étuve. Au cours d'une étape de dégazage (450) la température de l'étuve est portée jusqu'à la température de fusion de du polymère thermoplastique en réalisant dans la chambre délimitée par la bâche à vide un premier niveau de vide en portant la pression de la dite chambre à une valeur comprise entre 10 et 100 Pa.
Selon une étape de compactage (460) la température de l'étuve est montée jusqu'à une température supérieure à la température de fusion du polymère, suffisante pour obtenir l'imprégnation des renforts fibreux par ledit polymère, par exemple, une température de 400 °C pour le PEEK. En même temps le vide dans la chambre délimitée par la bâche à vide est poussé pour descendre la pression dans cette chambre à une valeur comprise entre 0,1 et 0,01 Pa. La viscosité du polymère thermoplastique à l'état fondu l'empêche de franchir le tissu de drainage entourant le périmètre de l'empilement et d'être aspiré par la pompe. Ainsi, l'effet de l'accroissement du vide est surtout d'augmenter la pression de la tôle de compactage sur l'empilement, ce qui réalise le compactage de l'ensemble. Au cours d'une étape de refroidissement (470), le chauffage de l'étuve et coupé, le vide étant maintenu jusqu'à ce que la température dans l'empilement atteigne la température de transition vitreuse du polymère constituant la matrice du composite. Finalement l'ensemble est démoulé au cours d'une étape de démoulage (480). Si nécessaire, le panneau ainsi formé fait l'objet d'opérations de parachèvement, notamment de détourage, ou d'adjonction par soudure de raidisseurs à sa surface.
La description ci-avant et les exemples de réalisation montrent que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier, en séparant les phases de dégazage (450) et de compactage (460), par l'utilisation d'un dégazage latéral et d'une tôle de compactage (140)flexible, le dispositif et le procédé objet de l'invention permettent la réalisation d'un panneau thermoplastique de forte épaisseur, lequel panneau peut être avantageusement utilisé, notamment comme panneau de fuselage d'un aéronef dans une zone soumise à des risques d'impact, notamment la casquette dudit aéronef, afin de réduire la masse et la consommation en carburant de cet aéronef.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif (100) de compactage et de consolidation d'un empilement (1 10) de plis fibreux pré-imprégnés d'un polymère thermoplastique, apte à être placé en étuve, caractérisé en ce qu'il comporte :
a. un marbre (120) de drapage ;
b. des cales (130, 330), dites cales de confinement, prenant appui sur le marbre (120) et délimitant le périmètre de l'empilement, lesdites cales (130) comportant des rainures (131 , 132, 133) ouvertes débouchant dans le périmètre de l'empilement ;
c. un tissu de verre (135) de garnissage sur la face des cales (130) de confinement délimitant le périmètre de l'empilement (1 10) ; d. une tôle (140) de compactage flexible de surface égale à la surface de l'empilement (110) mais apte à s'insérer à l'intérieur du périmètre délimité par les cales de confinement (130, 330) ; e. des moyens (151 , 152, 155) pour envelopper de manière étanche l'empilement de plis, les cales de confinement et la tôle de compactage ;
f . des moyens (150, 125) pour tirer au vide le volume ainsi enveloppé comprenant une pluralité d'orifices (125) dans le marbre (120), ladite pluralité consistant en des orifices débouchant à l'extérieur du périmètre de l'empilement.
Procédé de compactage - consolidation d'un empilement (110) de plis fibreux pré-imprégnés d'un polymère thermoplastique, utilisant un dispositif (100) selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
i. draper (410) un empilement de plis pré-imprégnés sur le marbre ; ii. entourer (420) le périmètre de l'empilement ainsi créé avec les cales de confinement (130, 330) dont la face en contact avec l'empilement est garnie d'un tissu drainant (135) ;
iii. placer la tôle de compactage (140) au sommet de l'empilement iv. recouvrir (430) la tôle de compactage et les cales de confinement d'un tissu drainant ;
v. emballer (430) le tout dans une bâche (155) à vide étanche ; vi. placer (440) l'ensemble dans une étuve ;
vii. tirer (450) à un premier niveau de vide correspondant à une première valeur de dépression, le volume contenu entre la bâche (155) à vide et le marbre (120) ;
viii. porter (450) l'ensemble à la température de fusion du polymère constituant la matrice en poursuivant le tirage au vide du volume contenu entre la bâche (155) à vide et le marbre (120) ;
ix. tirer (460) le volume contenu entre la bâche (155) à vide et le marbre (120) à un second niveau de vide correspondant à une seconde valeur de dépression supérieure à la première.
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les cales de confinement (130, 330) sont sensiblement en forme de coin, l'épaisseur d'une cale entre son somment et sa surface d'appui sur le marbre étant dégressive depuis la face de la cale délimitant le périmètre de l'empilement, formant un pan incliné, lequel pan incliné est rainuré (133).
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la face d'appui des cales de confinement (130, 330) sur le marbre (120) est rainurée
(131 ) .
Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face des cales (130) de confinement délimitant le périmètre de l'empilement est rainurée
(132) .
Dispositif selon les revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les rainures (131 , 132, 133) sur les 3 faces des cales (130) de confinement débouchent les unes dans les autres.
Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les cales de confinement (130, 330) sont en acier. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en la tôle (140) de compactage est une feuille de titane d'une épaisseur inférieure ou égale à 0,5 mm.
Aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un panneau composite à matrice thermoplastique d'une épaisseur supérieure à 20 mm dans une zone de structure soumise à des risques d'impacts, lequel panneau est obtenu par un procédé selon la revendication 2.
PCT/EP2013/054105 2012-02-29 2013-02-28 Procédé et dispositif pour le compactage et la consolidation d'un panneau composite de forte épaisseur à matrice thermoplastique WO2013127965A1 (fr)

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