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CA 02434447 2003-06-27
FABRICATION DES COMPOS!'TES PAR UN PROCÉDÉ
D'INJECTION FLEXIBLE AU MOYEN D'UN MOULE Ä DOUBLE
CHAMBRE OU Ä CHAMBRES MULTIPLES
CI-IAMP DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte à la fabrication d'un matériau composite
par injection d'une phase liquide (la matrice) à travers une phase solide
poreuse (le
renfort).
ARRIÉRE-PLAN DE L'INVENTION
Plusieurs procédés sont utilisés dans la fabrication de piéces composites qui
consistent à imprégner un renfort avec un liquide qui peut être un polymère
réactif
(résine) ou un matériau liquide à la température d'injection. Toutes les
variantes de
cette famille de procédés sont; maintenant regroupées sous le terme générique
LCM
(« Liquid Composite Molding »). Même s'ils sont utilisés principalement pour
fabriquer des composites à matrice polymère, les procédés LCM se rencontrent
également dans des applications biomédicales ou électroniques, quand il s'agit
par
exemple d'ïnjecter un polymère isolant sur un circuit microélectronique. Un
métal
en fusion est injecté à la place de la résine polymère pour fabriquer des
composites
à matrice métallique. Les procédés de fabrication des composites à matrice
polymère peuvent être séparés en plusieurs catégories
a) Moulage contact.- Il s'agit ici de la méthode manuelle qui utilise un demi-
rnoule sur lequel le renfort sec est disposé puis imprégné à la main.
b) Autoclave.- La pièce composite est fabriquée à la main à partir de renforts
pré-
imprégnés, puis elle est cuite dans un autoclave. Cette méthode de fabrication
est très utilisée en aéronautique notamment dans le secteur militaire.
Toutefois
sont coût reste totalement prohibitif.
c) Procédé I~TM (« Resin Zi~ansfer Niolding » ).- La matrice est injectée à
l'état
liquide à travers un renfort contenu dans un moule rigide. L'injection du
liquide dans le procédé RTM peut être effectuée à la température ambiante ou
bien à une température plus haute en chauffant le liquide injecté et/ou le
moule.
d) Procédé VARTM (« Yacuum Assisted Resin ~'ransfer l~folding »).- ~n fait le
vide dans le moule afïn de: facïliter et d'accélérer l'injection du liquide.
e) Procédé CRTM (« Com~~ression Resin Transfer ll.folding »).- Aussi appelé
injection-compression, le procédé CRTM consiste à ouvrir légèrement
l'entrefer du moule pendant l'injection du liquide, puis la pièce est
consolïdée
et mise à la cote par fermeture du poinçon.
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f) Procédés VARI (« Yacuum Assistera Resin Infusion »).- Le renfort est
disposé
sous un film plastique ou une membrane élastique sous laquelle on fait le
vide.
Ensuite le liquide est infuaé sous l'effet de la gravité.
g) Procédé IZTM Li~ht.- Cette variante permet de combiner les avantages de la
déformation d'une paroi du moule comme dans l'infusion avec une pression
d'injection imposée comme dans le procédé RTM. L,e moule comprend une ou
deux coques minces en métal ou en composites, qui peuvent être déformées
sous l'effet de la pression d'injection. Un premier niveau de vide assure la
fermeture du moule. Un second niveau de vide est réalisé dans la cavïté pour
accélérer l'injection.
h) Autres variantes.- Il existe de multiples autres variantes des procédés
LCM, qui
peuvent être rattachées à l'une ou l'autre des grandes catégories précédemment
décrites. Par exemple, le procédé d'injection VEC utilise des réservoirs
contenant un fluide incompressible pour permettre une déformation des parois
du moule. Des canaux préférentiels peuvent aussi être créés de diverses façons
dans une couche extérieure du renfort (procédé SCR~MP), dans une des parois
du moule ou à l'intérieur de la cavité, afm de faciliter l'infusion ou
injection du
liquide.
La qualité des pièces fabriquées par moulage contact est en moyenne plus
faible que celle des pièces injectées. Les coûts de main d.'~uvre sont aussi
importants, car chaque pli du stratifié doit être positionné précisément et
imprégné
individuellement à la main. Pendant l'imprégnation du liquide, des bulles
d'air sont
en général emprisonnées dans Ie composite. Ceci constitue le principal
problème
du moulage contact et explique notamment la grande variation observëe dans 1e
poids des pièces. Un second inconvénient provient de la difficulté d'obtenir
une
épaisseur et un taux de fibres constants, deux paramètres critiques qui
gouvernent
les propriétés mécaniques du composite. Enfin, un autre problème devient de
plus
en plus aigu en raison des normes gouvernementales de plus en plus sévéres :
des
gaz toxiques se dégagent pendant la fabrication, qui sont nuïsibles pour
l'environnement et ne respectent pas les conditions d'hygiéne et de sécurité
requises.
Les procédés LCM fondés sur l'emploi de moules fermés suppriment la
majorité des émanations gazeuses. Traditionnellement, le moulage par injection
d'un liquide est réalisé au moyen de deux demi-moules rigides : (1) la matrice
désigne généralement la partie inférieure du moule qui reste fixe et (2) le
poin~on
désigne la partie supérieure qui s'ouvre pour démouler la pièce â la fin du
cycle de
fabrication. Entre ces deux demi-moules se trouve la cavité dans laquelle le
renfort
est disposé et dans laquelle l'injection aura lieu.
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3
Le procédé RTM et ses variantes VARTM et CRTM sont appropriés pour
la fabrication de pièces composites structurales, mais l'obtention d'une
épaisseur
constante reste difficile à cause du retrait non uniforme de la résine pendant
la
cuisson. Il n'est pas toujours facile non plus d'éliminer complètement les
porosités
dans la pièce injectée, même en faisant le vide dans la cavité. Enfin, la plus
grosse
difficulté est reliée à la durée de l'injection, qui devient rapidement
beaucoup trop
longue pour des renforts à fort taux de fibres (i.e., dépassant 50%). Bref,
l'aspect
de surface moyen, la faible précision géométrique des pièces, la limitation
sur le
taux de fibre et la durée de l'injection restreignent le charr~p d'application
du
procédé RTM et de ses procédés dérivés comme le RTM chauffé, le VARTM et
l'injection-compression (CRTM). Mentionnons aussi une contrainte particulïère
du
procédé CRTM : en général, la fermeture du poinçon est réalisée selon un axe
vertical; il en résulte une compression quasi nulle du renfort dans les zones
verticales de la cavité, alors qu'une pression maximale s'exerce dans les
zones
horizontales. Ce problème, en plus des difficultés de mise au point inhérentes
à la
complexité du procédé et des risques d'emprïsonnement d'air pendant la phase
de
compression, limite les applications du CRTM.
Récemment, de nouveaux procédés d'imprégnation sous vide sont apparus,
qui présentent l'avantage de ne pas nécessiter de contre-moule. Ces procédés
dits
d'infusion par aspiration de liquide sont beaucoup moins coûteux en terme
d'investissement. Le renfort est toujours disposé sur la surface d'un moule,
puis il
est recouvert d'une membrane imperméable maintenue à sa périphérie. L'air
contenu dans la cavité formée entre la mernôrane et le moule peut être évacué
en
utilisant une pompe à vide. La pression atmosphérique permet alors de
compacter
le renfort, tandis que le liquide s'écoule de la source extérieure vers la
cavité du
renfort dans laquelle une pression de vide est maintenue. Dans ce type de
procédé
appelé VARTM, l'infusion du liquide dans le renfort est réalisée sous vide et
à
faible vitesse sous le simple effet de la pression statique due à la gravité.
On
élimine ainsi l'inclusion de bulles d'air, qui est un des problèmes rencontrés
dans
les autres variantes d'injection. Le contrôle des dimensions de la pièce et du
taux
de fibres est en général amélioré, sauf dans les parois verticales des pièces
de
grande taille, car l'effet de la gravité introduit alors une compaction non
uniforme
du renfort. Malgré l'apparente simplicité des procédés VARI, des problèmes
subsistent car les résines très visqueuses s'écoulent difficilement dans des
renforts
peu perméables. Les taux de fibres infusés par le VARI sont plus faibles que
ceux
qui peuvent être injectés par RTM. Comme la résistance à l'écoulement de la
résine augmente avec la distance à parcourir, il arrive souvent que certaines
parties
du renfort restent sèches, tandis qu'un excès de résine se concentre dans
d'autres
zones.
Afin de résoudre ces problèmes, des variantes de ces procédés ont été mises
au point récemment pour augmenter artificiellement la perméabilité locale du
renfort et diminuer ainsi le temps de remplissage : feutre perméable de
diffusion de
résine sur une peau du renfort, réseau de tubes pour distribuer l'écoulement
de la
résine dans la cavité, canaux préférentiels d'écoulement incorporés à la
surface du
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moule, etc. Toutes ces méthodes présentent des problèmes particuliers.
L'utilisation du feutre perméable entraîne une augmentation de la quantité des
déchets, ce qui est incompatible avec une production de masse. Les réseaux de
tubes et les canaux d'écoulement préférentiels génèrent des difficultés
pratiques de
mise en oeuvre, qui ne peuvent être surmontées qu'au prix d'une période
d'essais
généralement coûteuse. Finalement, l'infusion reste toujours excessivement
lente
par rapport à l'injection. En effet, le gradient de pression qui gouverne
l'écoulement du liquide est toujours beaucoup plus grand dans un procédé
d'injection, alors que dans l'ïnfusion il ne peut dépasser la valeur de la
pression
atmosphérique moins la pression de vide créée dans la cavité.
SOMMAIRE DE L'INifENTION
Toutes ces difficultés et d'autres non citées amènent à proposer une
méthode novatrice pour fabriquer un matériau composite par injection d'une
phase
liquide (la matYice) à travers une phase solide, par exemple une phase solide
poreuse (le rehfo~t).
Conformément à un mode de réalisation illustratif et non limitatif de la
présente invention, la fabrication des pièces composites est fondée sur les
principes
combinés de la déformation d'une paroi flexible, de compaction des renforts et
de
l'injection simultanée, mais avec un certain déphasage, de la matrice liquide
et
d'un fluide de contrôle.
Les autres objets, avantages et caractéristiques, ainsi que ceux qui
précèdent, deviendront plus apparents à la lecture de la description qui suit
d'un
mode de réalisation illustratif de la présente invention, donné à titre
d'exemple non
limitatif avec référence aux dessins annexés.
DESCRIPTION DÉTAILLE DU MODE DE RÉALISATION ILLUSTRATIF
Le mode de réalisation illustratif de la présente invention, baptisé procédé
Polyflex, se rapporte à la fabrication d'un matériau composite par injection
d'une
phase liquide (la matrice) à travers 'une phase solide poreuse (le re~xfort).
Un
rehfort de type fibreux, granulaire ou autre type de matériau poreux est
d'abord
disposé dans un moule, puis la matrice est injectée à l'état liquide pour
imprégner
la phase solide. Ce type de procédé appelé « injection sur renforts » est
souvent
utilisé pour la fabrication des matériaux composites dent la matrice polymère,
métallique ou céramique est renforcée par des fibres de verre, carbone,
l~evlar,
métal, céramique, etc. Le champ d'application des procédés d'injection sur
renforts
est très vaste : il couvre le domaine des véhicules de transport (marine,
automobile,
aéronautique) et englobe aussi des applications dans les secteurs biomédical
et
électronique. Le mode de rëalisation illustratif de la présente invention
comprend
quatre variantes principales
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S
9. Injection dans un moule à double chambre
La première variante du mode de réalisation illustratif de la présente
invention est destinée à la fabrication d'une pièce unique dans un moule
rigide
comportant deux chambres séparées par une couche d'un matériau imperméable.
Le matériau de séparation peut âtre soit une couche mince comme un film
plastique ou une membrane f°lastique par exemple, soit 'une mbuSSe plus
ou moins
rigide d'épaisseur non nécessairement constante, ou tout type de matériau,
imperméable au liquide, mais éventuellement perméable au gaz. La couche de
séparation possède une certaine flexibilité de sorte qu'elle puisse se
dëformer sous
l'effet de la pression du liquide injecté dans la chambre qui contient le
renfort
(appelée chambre du renfort). Ceci a pour effet de faciliter ainsi
l'imprégnation du
renfort poreux. Cette déformation est toutefois limitée par l'épaisseur de
l'entrefer
du moule rigide. Noter que cette épaisseur n'est pas nécessairement uniforme;
elle
peut être ajustée en fonction de la géométrie de la pièce à injecter pour
contrôler la
forme du front de liquide pendant le remplissage de la cavité. Ensuite, avec
un
certain retard, un fluide en général incompressible (mais qui pourrait aussi
âtre un
gaz) est injecté dans la deuxième chambre (ou chambre de compression) afin de
réduire progressivement la déformation de la couche de séparation. En réglant
ainsi
l'épaisseur de la cavité pendant l'injection, on peut changer localement la
perméabilité du milieu poreux et contrôler ainsi l'imprégnation du renfort.
Les
deux principaux avantages du procédé conforme au mode de réalisation
illustratif
de la présente invention sont la rapidité d'injection et le contrôle de la
qualité des
pièces injectées, tant sur le plan dimensionnel qù'au niveau de la porosité.
L'injection du fluide dans la chcambre de compression permet en outre de
consolider le milieu poreux à la fin de l'injection, pendant la cuisson et le
refroidissement du composite. Finalement, si la pression de consolidation est
dynamique, on a ainsi la possibilité de faire vibrer la pièce composite avant
la
solidification complète de la matrice de façon à expulser complètement et
rapidement toute trace de phase gazeuse résiduelle.
2. Canaux d'écoulement préférentiels
Au lieu de créer une chambre de compression sur toute 1a surface de la
pièce injectée, une seconde variante du procédé conforme au mode de
réalisation
illustratif de la présente invention consiste à intégrer des canaux
d'écoulement
préférentiels dans la partie supérieure du moule. Ceci a pour effet
d'accélérer la
distribution du liquide dans la cavïté. Un résultat optimal peut être obtenu
en
ajustant la disposition de ces canaux én fonction des caractéristiques de la
pièce à
inj ecter.
3. Moule à cavités multiples de type ~c double chambre o
Enfin, une troisième variante du procédé conforme au mode de réalisation
illustratif de la présente invention offre la possibilité de supe~.~oser un
certaîn
nombre de chambres doubles., afin de fabriquer plusieurs pièces dans un seul
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G
moule. En particulier, en utilisant une mousse compressible d'épaisseur
contrôlée
pour séparer les couches de -renfort, il est possible de fabriquer plusieurs
pièces au
moyen d'un moule unique.
4. Moule à cavités mraltipies superposées
Une version simplifiée de la précédente variante sans « double chambre »
consiste à séparer les cavités. au moyen d'une couche d'un matériau déformable
et
à injecter séquentiellement le fluide avec un certain retard dans chacune des
chambres superposées. La déformabïlité des couches de séparation et le
déphasage
de l'injection dans chacun des renforts superposés joue alors le rôle des
chambres
de compression de la variante précédente.
La méthode conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention utilisée pour contrôler la pression dans la chambre de compression
et la
déformation de la couche de séparation pendant l'injection du liquide dans la
cavité permet, comparativement aux méthodes d'injection ou d'infusion plus
traditionnelles, une injection plus rapide du volume total de liquide requis
pour
fabriquer la pièce composite.. L'imprégnation complète du renfôrt est
contrôlée par
l'injection d'un fluide (compressible ou non) dans la chambre du moule qui ne
contient pas le renfort (char~~b~e de compressioh). La pression de ce fluide
permet
de maîtriser la compaction et la consolidation de la pièce â la fin de
l'injection et
pendant la solidification du liquide. Cette méthode permet de contrôler
l'épaisseur,
et donc le taux de fibres, dans toutes les sections de la pièce, même dans les
parties
courbes ou dans celles qui contiennent des « inserts » ou des âmes « sandwich
».
Le procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention
permet de fabriquer des composites à fort taux de fibres. L'aspect de surface
est
aussi amélioré parce qu'un contact direct peut étre imposé avec la partie
rigide de
la cavité pendant la solidification de la matrice. Le procédé est utilisable
pour
toutes les géométries de pièces composites, et pour tous les types et
combinaisons
de renfort et de matrice.
Tel que mentionné précédemment, une premiére variante est obtenue en
créant des canaux préférentiels dans la paroi supérieure du moule. Une seconde
variante est introduite avec des chambres doubles multiples superposées, qui
permettent de fabriquer dans un seul moule une série de pièces identiques.
Enfan,
dans une troisième variante, plusieurs cavités contenant les renforts sont
superposées, la séparation entre celles-ci étant assurée par une couche
d'épaisseur
contrôlée d'un matériau compressible comme une mousse polymère par exemple.
Le déphasage de l'injection dans chaque chambre permet de contrôler
l'épaisseur
de la cavité dans une chambl-e inférieure au moyen de l'injection qui a lieu
dans la
chambre immédiatement supérieure.
7. Injection dans un moule à double chambre
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7
Le procédé conforrr~e au mode de réalisation illustratif de la présente
invention décrit ici dans le cas général d'un moule à « double chambre » peut
être
utilisé de différentes manières pour différents types de pièces. LT.Tn exemple
est
donné à titre d'illustration dans le cas d'une plaque afin. de démontrer les
principales caractéristiques de ce procédé. Il s'agit du processus de
fabrication
d'un composite par injection d'une matrice liquide à travers un renfort poreux
avec
solidification subséquente d.u liquide soit par refroidissement, soit par
réaction
chimique comme dans Ie cas des polymères thermodurcissables (cuisson). La
description suivante est fondée sur le mode opératoire préconisé pour mettre
en
oeuvre le procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention. Chaque étape du processus de fabrication est décrite au mayen de
schémas explicatifs détaillés.
~Tn moule d'injection pour le procédé conforme au mode de réalisation
illustratif de la présente invention comprend trois composantes principales
(1) une partie inférieure ~..°igide du moule délimitant une cavïté
appelée chambre
du renfort, dans laquelle le renfort est disposé et le liquide injecté pour
constituer le composite;
(2) une partie supérieure rigide du moule délimitant une autre cavité appelée
chambre de compression, dans laquelle un fluide est injecté avec un temps
de retard par rapport à la matrice liquide injectée dans la chambre du
renfort;
(3) une couche en matériau flexible permettant de séparer la cavité du moule
en deux chambres d'épaisseur variable, la chambre du renfort et la chambre
de compression.
La partie inférieure du moule est identique à celle des moules traditionnels
RTM rigides. Elle sera nommée par la suite base du moule, tandis que la partie
supérieure du moule est appelée centre-moule. La base du aneule est
représentée
sur les figures ci-dessous dans le cas d'une plaque plane rectangulaire. La
base du
moule est fabriquée aux dimensions de la pièce à injecter et contient un ou
plusieurs canaux d'évacuation d'air reliés à une pompe ~, vide (non
représentée ici).
Dans l'option chauffée du procédé, des canaux de chauffage et de
refroidissement
peuvent aussi être incorporés à l'une ou aux deux parties du moule. LJn seul
canal
d'évacuation d'air est représenté dans l'exemple considéré ici, mais plusieurs
canaux d'évacuation peuvent être utilisés. La base du meule contient également
un
ou plusieurs canaux d'injection de liquide reliés à une source unique (non
représentée ici). Un seul canal d'injection est représenté dans l'exemple
considéré
ici, mais plusieurs canaux d'injection peuvent être utilisés.
La finition de la sui face de contact du moule avec la pièce dépend de
l'aspect de surface souhaité pour la piéce. C'est grâce à la qualité de cette
finition
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g
que le meilleur aspect de surface pourra être obtenu. l~iabituellernent, la
base du
moule est fabriquée en métal, mais elle peut être aussi constituée de
n'importe quel
matériau habituellement utilisé pour fabriquer les moules d'injection, par
exemple
une mousse d'époxy/aluminium ou un matériau composite multicouche. La base
du moule dispose d'encoches (représentées ici avec une section triangulaire)
ou de
joints, qui maintiennent le renfort et assurent l'étanchéité du moule au
niveau de la
couche de séparation (membrane).
Vue en perspective de la base du moule
Cana! d'inj~ctior~ de la résine
Er
m~
3ase du moule
Vue de dessus
j ,
Canal d'ëvacuatiot~ âe la rr~sinQ
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9
Coupe A-A
Encoche du Encoche de la
renfort ~~~~~n~
Base du
traoule
Tel qu'illustré sur la figure ci-dessus, tous les schérr~as ultérieurs seront
présentés selon une coupe verticale AA prise au centre du moule. Dans la suite
les
étapes successives du procédé conforme au mode de réalisation illustratif de
la
présente invention sont décrites séquentiellement comme suit : (1) dépôt du
renfort
dans la cavité du base du moule; (2) mise en place de la couche de séparation;
(3)
fermeture du moule; (4) application optionnelle du vide dans la chambre du
renfort; (5) injection de la résine; (6) injection du fluide de contrôle; (7)
compaction du composite; (~~) solidification de la pièce; (9) éjection du
moule.
9.7 ~épôt du renfort
Le Yenfort fibreux granulaire ou poreux est d'abord disposé dans la cavité
de la base du moule. Dans le cas des renforts fibreux, des tissus ou des mats
en
verre, carbone, aramide, etc. peuvent être utilisés. Ce renfort constitue le
« squelette » du matériau composite, par opposition au liant ou mrctrice
fourni par
Ie liquide injecté. Soumis à la pression atmosphérique Via, l'épaisseur
naturelle du
renfort sans compaction est notée ho.
Coupe A-A
?.2 Mise en place c~e ~a couche de séparation
La couche de séparation est imperméable et suffisamment flexïble pour être
déformée sous l'effet de la pression du liquide injecté. Appelée ici
~taembrane, la
couche de séparation peut être soit un f~lm plastique mince, une membrane
élastique ou tout autre matériau. Par exemple, le matériau de séparation le
moins
t;artat d'evacuarton Canal d'in~E~cffon
de résine de résine
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coûteux sera choisi. La membrane est disposée de manière à couvrir tout le
renfort.
La base du moule et la membrane délimitent un espace contenant le renfort
appelé
chambre du renfort.
5
Coupe A-A
B~se du moula
7.3 Fermeture du rr~oule
La partie supérieure du moule ou contre-moule est représentée sur les
figures qui suivent. Le contre-moule contient aussi une cavité dont la
géométrie est
10 déterminée en fonction de la piéce injectée. L'aspect de la surface interne
de cette
cavité n'a pas besoin d'être d'aussi bonne qualité que la surfcace de contact
de la
base du moule. Le contre-moule dispose aussi d'un ou plusieurs canaux
d'injection
reliés à une source de fluide pressurisée non représentée ici. Un seul canal
de
contrôle apparaît ici, par exemple placé â l'opposé du canal d'injection de la
chambre du renfort, mais clairement plusieurs pourraient être utilisés. Le
contre-
moule dispose également d''un ou plusieurs canaux d'évacuation d'air. Un seul
canal d'évacuation nommé évent est représenté.
Le contre-moule et la base du moule délimitent ainsi une cavité ou entrefer
qui contient deux chambres séparées par la couche de séparation (membrane). ~n
note h l'épaisseur totale de cette cavité. La chambre supérieure délimitée par
le
contre-moule et la membrane flexible, appelée chambre de compression, a une
épaisseur hf Le contre-moui'e est fixé sur la base du moule grâce à des
encoches,
rainures qui s'embouent ôv joints de manière à assurer l'étanchéité des deux
chambres, celle contenant le renfort et la chambre de compression.
Coupe A-A
Ch~mht~ du renfort l'~¿etYtI3Yat~e
Évertf ~ . . Ganai de contra"fe
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11
1.4 Application optionnelle du Vide dans la chambre du renfort
Par l'intermédiaire du canal d'évacuation et gràce à une pompe à vide, la
pression dans la chambre du renfort est fixée à une valeur Pv , appelée
pression de
vide, plus faible que la pression atmosphérique Pa. dans ce cas, la pression
résultante appliquée sur le renfort, soit la pression atmosphérique Pa moins
la
pression de vide PV, comprime le renfort jusqu'à une épaisseur h~ < ho.
Coupe A-A
~~r~al die c~n#râl~
~f
f71
vide
7.5 Injection du liquide
L'un des intérêts du procédé conforme au mode de réa~'.isation illustratif de
la présente invention réside dans la possibilité d'injecter sous pression en
quelques
secondes seulement toute la résine nécessaire pour la fabrication de la piéce.
Bien
que mode de réalisation illustratif de la présente invention soit décrit en
relation
avec de la résine, on doit garder à l'esprit que tout autre liquide capable de
former
la matrice peut être utilisé avec les mêmes avantages.
Contrairement aux autres procédés où la résine doit être injectée d'une
manière continue jusqu'à ce que le renfort soit entièrement imprégné, le
procédé
conforme au mode de réalisation illustratif de la présente invention permet,
entre
autres, une injection trés rapide de toute la quantité de liquide requise pour
imprégner le renfort sans attendre un remplissage complet du renfort. Ceci
permet
de minimiser le temps d'utilisation du dispositïf d'injection et de réaliser
ainsi
plusieurs pièces à la fois avec une série de moules superposés ou non. La
résine
injectée sous pression gonfle la membrane, qui vient alors occuper une partie
de la
chambre de compression. Le renfort est imprégné seulement sur une partie de
son
volume total. En raison de l'injection du liquide, l'épaisseur de la chambre
du
renfort augmente jusqu'à atteindre la valeur h maximale de l'entrefer. Lorsque
tout
le liquide a été injecté dans la chambre du renfort, le canal d'injection du
liquide
est fermé, tandis que l'évent permet à l'air contenu dans la chambre de
compression d'être évacué.
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12
Coude A-A
Résine
c-,.v 1
~f
Yide
optionnel ~ ~- Renfort imprégné
Renfort sec
9.6 Injection du fluide de contrôle
Le fluide utilisé peut étre un gaz ou un liquide comme L'eau, l'huile ou tout
autre fluide répondant aux exigences souhaitées. Ce fluide est injecté â
travers le
canal de contrôle à une température T~ et à une pression Pf Le chauffage du
fluide
de contrôle constitue un autre moyen pour réguler la température dans la
chambre
du renfort. En particulier, une température élevée diminue la viscosité du
liquide et
facilite ainsi son écoulement à travers le renfort.
La pression appliquée par le fluide de contrôle sur la membrane compacte
le renfort et le liquide à travers l'épaisseur de la pièce et entraîne
l'écoulement du
liquide en direction des zones non imprégnées du renfort. La température Tf du
fluide de contrôle facilite aussi l'écoulement à travers la chambre du
renfo~~t. Le
procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente invention
présente ainsi l'avantage de contrôler la progression du front de liquide à
travers le
renfort.
Un autre aspect mérite également d'étre mentionné : l'épaisseur h de
l'entrefer du moule n'a pas besoin d'être uniforme sur toute la surface de la
pièce
injectée. En effet, une épaisseur variable déterminée au moyen d'un logiciel
de
simulation permet d'assurer., en fonction des caractéristiques de perméabilité
du
renfort et selon la géométrie de la pièce, une progression quasi-uniforme du
front
de liquide dans les zones d'écoulement divergentes ou convergentes de la
chambre
du renfort ou autour des « inserts ». Une telle approche respecte les
conditions
relatives à la vïtesse optimale d'imprégnation partout dans la pièce tout en
diminuant la durée du remplissage.
Fronk de résine
Rësine
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13
Coupe A-A
Résine Fluide de co~frâle Pf Tf
Renfort imprégné
~i~°~ Renfort sec
1.7 Compaction du composite
Lorsque la chambre de compression est complètement remplie, la pression
du fluide de contrôle peut être augmentée jusqu'à une 'valeur P~, dite
pression de
compaction, afin de comprimer le renfort saturé pa.r le liquide. La pression
appliquée à la fin de l'injection permet ainsi de compléter l'imprégnation du
~°enfort, de mettre la pièce à la cote et surtout, de s'assurer que le
renfort saturé
épouse parfaitement l'empreinte de la base du moule. En effet, la pression de
compaction s'appliquant de manière isotrope, i.e., dans toutes les directions,
la
pièce injectée est compactée d'une manière uniforme, quelles que soient ses
particularités géométriques. En outre, il est possible de maintenir la
pression de
compaction pendant la phase de solidification. Ceci permet à la pièce finale
de
reproduire le fini de surface de la paroi inférieure du moule. Cette
caractéristique
du procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention lui
confère un avantage sur les autres variantes d'injection dans un moule rigide,
comme les procédés RTM, VARTM ou CRTM. En effet, dans ces procédés,
l'absence de compaction perdant la solidification du composite est à l'origine
des
ondulations et de la rugosité de surface de la pièce injectée qui résultent du
retrait
de polymérisation dans le cas des polymères thermodurcissables et/ou de la
contraction du liquide pendant le refroidissement. Ce retrait non contrôlé
entraîne
un aspect de surface médioc~.°e, car la surface de la pièce injectée ne
reproduit pas
la qualité du fini de la paroi inférieure du moule.
La pression de compaction P~ étant supérieure à la pression atmosphérique,
l'épaisseur finale du composite peut être contrôlée beaucoup plus facilement
que
dans les procédés d'infusion et des pièces avec un taux de ~~bres plus
important
peuvent être fabriquées. ä noter que la pression de compaction PC demeure
cependant en deçà de la valeur limite qui entraînerait une défoumation
permanente
Fronjr de résine
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14
du contre-moule. De cette façon, un moule moins rigide peut être utilisé, ce
qui
diminue les coûts de fabrication.
Coupe A-A
Fluïde de c~nir~ile F'~ Tf
Fermé
I~
Mer~6~ane
imperarréable
Renfort imprégné
~ ~ ~i~ Renfort sec
Un autre aspect intéressant apporté par le mode de réalisation illustratif de
la présente invention réside dans la possibilité de réaliser une consolidation
dynamique au renfort saturé de liquide comme dans la variation Vi~TM
(« ljibration ~esin Transfea~ Molding ») du procédé RTM. La vibration ainsi
imposée au milieu poreux contribue à expulser la phase gazeuse résiduelle
emprisonnée dans les micropores du renfort fibreux à la fin de la phase de
compaction.
7.8 Solidification de fa piéce
La base du moule est portée à la température souhaitée pour la
solidification de la pièce o~z la cuisson du. composite au moyen de
résistances
thermiques ou de tout autre système de chauffage. Dans le cas des composites à
matrice polymère thermodurcissable, Ia cuisson permet de solidifier la résine
par
un phénomène physico-chimique connu sous le nom de réticulation. Cette
solidification confère au composite ses propriétés de résistance mécanique, sa
tenue en corrosion, etc. Durant cette phase, la pression de compaction assure
un
contact continu de la pièce composite avec la surface inférïeure du moule.
Le contact direct de l.a pièce avec la paroi inférieure du moule assure une
bonne reproduction de la surface de contact et la conformité géométrique de la
pièce. La méthode conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention permet aussi de contrôler la réticulation de la rÉ;sine en réglant
la
température de la paroi inférieure dL~ moule, et éventuellement aussi, celle
du fluide
de contrôle.
Il est également possible de cuire la résine en utilisant un rayonnement
ultra-violet (UV). Dans ce cas, les parois du moule et la membrane sont
Fermé Fermé
CA 02434447 2003-06-27
transparents à ce type de rayons. Selon les propriétés souhaitées pour le
composite
ainsi que selon les moyens disponibles, le choix de la méthode de cuisson se
portera vers l'une ou l'autre des méthodes proposées.
5
Coupe A-A
~ontraïte de pression du
fluide de co~ft~rle ~t'~ )
Fermé
h p ~épa isseur anale
t~iem6rane de ia ~iéce)
it~rperméabie
9.9 Éjection du moule
Une fois la solidification achevée, la température de la partie inférieure du
10 moule est abaissée en supprïmant le chauffage ou évemiuellement, au moyen
d'un
système de refroidissement. Par exemple, l'éjection du fluide de contrôle par
de
l'air froid contribue à refroidir la pièce avant son démoulage. Puis le fluide
est
évacué de la chambre de compe~ession grâce à une pompe non représentée. Une
fois l'évacuation du fluide terminée, le moule est ouvert en retirant sa
partie
15 supérieure. La couche de séparation est retirée. S'il s'agit d'un film
plastique,
celui-ci peut être jeté. Ensuite, au moyen des méthodes habituelles de
démoulage
(jets d'air comprimé, éjecteurs mécaniques, etc.), la pièce est extraite de la
base du
moule. En général, le démoulage est facilité par l'utilisation d'un agent
démoulant
déposé sur la paroi inférieure du moule avant la mise en place du renfort.
25
Renfort et résine en chauffage cIe la
réticulation base clu mule
CA 02434447 2003-06-27
16
Évacuation du fluide
Coupe A-A
Aie ~ ~lui~'e d~ eomtrcîle
h"
Ouverture du moule
Coupe A-A
Hn
15
Retrait de la membrane
Coupe A-A
Membrane
f~errfart eë r~~irte r~tfcul~e
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li
Éjection de la pièce
Coupe A-A
x
1.10 Variantes du prcocédé de base
Deux variantes du procédé de base sont proposées ici, qui évitent d'avoir à
usiner la surface d'un contre-moule
a) Utilisation d'une rrlousse déformable
La première permet d'accélérer la vitesse d'injection du fluide de contrôle
dans la chambre de compression. L'idée retenue consiste à remplir la chambre
de
compression avec un matériau poro-élastique déformable, par exemple une mousse
polymère ou un autre type c~e matériau poreux à pores ouverts ou fermés. Un
tel
matériau occupera un certain volume de la chambre de compression tout en
permettant en raison de sa déformabilité le fluage de 1a résine à la surface
du
renfort. La quantité de fluide de contrôle à injecter dans la chambre de
compression s' en verra ainsi diminuée. L' élasticité du matériau devra être
suffisante pour faciliter l'injection de la rësine.
Une fois l'injection du liquide (résine par exemple) terminée, le fluide de
contrôle est ensuite injecté dans le matériau à pores ouverts pour contrôler
le
fluage de la résine dans le renfort. La pression appliquée au fluide s'ajoute
à la
rigidité naturelle de la mousse. Étant donné que le matériau poro-élastique
occupe
déj à un certain volume, la quantité de fluide inj ecté sera diminuée par
rapport au
procédé de base. Dans le cas d'un matériau à pores fermés, l'injection du
fluide de
contrôle créera un film dans la chambre de compression entre la membrane et la
mousse. Ce principe consistant à placer un matériau poco-élastique dans la
chambre de compression peut également ètre appliqué aux autres variantes du
mode de réalisation illustratif de la présente invention.
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18
Coupe A-A Oilatériau déformable
Membrane
outre-moule
ambre du
fort
Un autre avantage résulte de l'emploi d'un matériau déformable comme
couche de séparation. Un tel matériau est en effet beaucoup plus facile à
usiner que
le métal. Au lieu d'usiner le contre-moule à la forme de la parie supérieure
de la
pièce (en laissant un entrefer pour créer un espace servant de chambre de
compression), la mousse sera usinée sur une face seulement, l'autre face
venant
s'insérer dans la partie supérieure rigide du contre-moule. Ä noter que cette
mousse, au lieu d'être usinée:, pourrait être injectée dans la cavité créée
par la base
du moule et le cadre supérieur. Il faudrait toutefois que le rr~oule contienne
une
première pièce afin que la mousse injectée puisse prendre l'empreinte de la
partie
supérieure de la pièce.
b) Chan~mprxssior~uni~rselle
Le renfort est recouvert d'une membrane sous laquelle on fait le vide. La
partie supérieure du moule est une simple chambre, qui ferme la zone du moule
et
permet une mise en pression à une valeur supérieure à :la pression
atmosphérique,
soit à l'aide d'un gaz, soit avec un liquide. Comme dans l'option précédente
dans
laquelle la double chambre est remplie par une mousse déformable, cette
approche
évite l'usinage d'un contre-moule. Le moule est fermé par une chambre de
compression universelle unique ou compartimentée par zones, qui s'ajuste
automatiquement grâce à la membrane flexible à la géométrie de la pièce. Cette
chambre universelle peut effectuer la mise en pression du renfort de trois
façons
différentes
i) Gaz comprimë.- Ceci représente la façon le plus simple de comprimer le
renfort. Toutefois, la compressibilité du gaz rend plus difficile le contrôle
de la
déformation de la membrane pendant l'injection.
ü) Fluide incompressible.- Cette approche permet d'exercer une compression
isotrope sur le renfort. En raison de l'incompressibilité du fluide, les
déformations locales de la membrane dans la zone saturée impliquent une
déformation dans la direction opposée et de même volume dans la zone non
saturée. Ce phénomène empêche également de bien contrôler l'écoulement,
iii) Combinaison d'un ,fluide incompressible et d'un tube pressurisé.- Cette
dernière variante présente trois avantages : (1) une pression isotrope
s'exerce
sur le renfort; (2) la pression du fluide peut être contrôlée à chaque instant
en
changeant la pression dans le tube; (3) le contre-mo~zle est beaucoup plus
léger
CA 02434447 2003-06-27
19
que dans le cas du fluide incompressible, ce qui facilite considérablement et
diminue le coût des opérations de production. La chambre de compression peut
être compartimentée en zones, et les tubes pressurisés aussi par zones.
S Cas (i) et (ü}
Coupe A-A
Cas iii
Coupe A-A
Fduvde ou gaz sous
passion F~~ Tf
Fermé
FI uide
in~ompress~bre
Ä noter que dans tous les cas la température de la chambre de compression
peut être modifiée et contrôlée facilement par celle du fluide de
pressurisatïon. Le
cas (iii) présente l'avantage de pouvoir chauffer (ou refroidir) avec le
fluide
incompressible, tandis que les tubes pressurisés permettront d'évacuer (ou de
dégager) une certaine quantité de chaleur.
2. Canaux d'écoulement préférentiels
Une variante intéressante du procédé conforme au mode de réalisation
illustratif de la présente invention consiste à utiliser des canaux
d'écoulement
Tubes pressurisés
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préférentiels dans la partie supérieure du moule. Dans la première variante du
procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente invention,
le
liquide se déplace sur toute la surface de la pièce. Cet écoulement est certes
plus
rapide que dans les autres procédés d'injection sur renforts mais la méthode
des
5 canaux d'écoulement préférentiels permet de réduire au maximum le temps
d'injection du liquide. La longueur du parcours moyen des particules de
liquide
dans le moule peut ainsi être diminuée considérablement.
Le principe de base reste le même : faire le vide dans le renfort à l'aide de
la membrane et d'une pompe à vide, injecter sous pression en une seule fois
tout le
10 liquide nécessaire pour fabriquer la pièce et enfin, utiliser un fluide de
contrôle
pour comprimer le renfort saturé et accélére5- l'écoulement en direction de la
partie
sèche du renfort. La modification intervient au niveau de la répartition du
liquide
après l'injection. L'objectif est de recouvrir avec le liquide la plus grande
surface
possible du renfort avant d'utiliser le fluide de contrôle. La base du moule
reste
15 identique à celle de la méthode générale. Par contre, des canaux
d'écoulement
préférentiels sont usinés sur la partie supérieure du moule. Pendant
l'injection de la
résine sous pression, la membrane déformée par le liquide épouse la forme de
la
surface de contrôle située sur la partie supérieure du mo~zle, qui contient
les canaux
d'écoulement préférentiels. Ainsi un quadrillage de canaux remplis de liquide
est
20 créé sur la peau supérieure du renfort. Dans l'exemple ci-dessous, la
géométrie de
la pièce reste une plaque plane rectangulaire. Le réseau de canaux est lui
aussi
simplifié : il s'agit ici d'un simple quadrillage rectangulaire. Dans le cas
général, la
géométrie de ce réseau devra être adaptée à celle de la pièce afin de
favoriser
l'écoulement du liquide dans les zones compliquées.
due en perspective du contre-moule
Caraat d'lnj~ctiot~ glu
r.,~~.", .r~ri.,.~.....-.a...,n ~re~.~.da..,a~..-".~t,~~e
1 LiSl~'tL 3
~Gl'l~tt8-11?t7t! G6'' f~ti
?ï143Ld~E
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21
Vue de dessus du contre-moule
B
~l
~c~ntr~-rrtnuf~
(vent
Les schémas illustra~.t les différentes étapes du remplissage du moule, soit
l'injection du fluide, puis la compression du renfort, sont représentés selon
les
coupes B-B et C-C. La mise en couvre du procédé avant le début de l'injection
du
liquide reste identique au cas de la première variante du procédé conforme au
mode de réalisation illustratif de la présente invention, tel que décrit
précédemment.
20
2~
C~~r~l c~'inï~cti~r~ dcr ~lus,~e de c~rrtl~
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22
Après applicatïon du vide dans la chambre du renfort
Coupe B-B
~"ans r.~ ~,~..., .......,.. ~anat du fluide ~.._..a
entre-moule
R~nfori sec
Gana! d'ir~jectforr
de résine
Centre-moule
Renfort sec
2.7 Injection du liquide
Le liquide injecté sous pression va imprégner le renfort dans la zone proche
des canaux d'injection, mais la majeure partie du liquide s'écoule à travers
l'épaisseur du Yenfort et remplit d'abord les canaux d'écoulement
préférentiels
usinés sur la surface supérieure du moule. I~a distance entre la surface du
cont~e-
moule et la membrane avant application du vide est suffisamment faible afin de
limiter l'espace permettant au liquide de s'écouler ~, la surface du renfort.
Coupe C-C fanal usfn~
rsrthogeanal
Canaux crsin~s
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23
a) Début de l'injection du liquide
Gouge ~-B
Canal dc~ guide
Confre-monte
Renfort sep
Rësine
'~ Renfort imprégné
~~~~ .xr Renfort sec
COUpe C-C
Carrtre-monte
Renfar~ sep
x~.
~~Ä' ' Renfort imprégné
~y~' '~'° Renfort sec
Le liquide se déplace très rapidement à la surface du renfort en empruntant
les canaux usinés dans le m~ule supérieur. Le liquide est séparé du moule
supérieur par la membrczree déformable.
r~#embrane ~la~tle~ue
~ ~~ç,~
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24
b) Fin de l'injection du liquide
Coupe B-B
Canal dtr fiuir~e
Confre-toute
Résine
~~" :~â,' Renfort imprégné
~'°a .v Renfort sec
Coupe C-C
Membrane pia.stigue
Conta-rnouie
Renfort sec
Front de résine
F-~h~ ~;~~ Renfort imprégné
' ~p Renfort sec
Dans le cas général, le renfort n'est pas imprégné sur toute son épaisseur, ni
sur toute sa longueur. Par p~ontre, tous les canaux prêférentiels sont remplis
de
liquide. Sachant que tout le volume de liquide requis est ïnjecté en une fois;
les
1S canaux sont dimensionnés pour recevoir la quantité prévue de liquide.
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2.2 Injection du fluide de contrôle
a) Début de l'injection du fluide de contrôle
Le même principe que dans la première variante du procédé conforme au
5 mode de réalisation illustratif de la présente invention est utilisë pour
injecter à une
pression Pf et une température Tf le fluide de contrôle dans la cavité
comprise entre
la paroi supérieure du moule et la membYr~ne. L'injectïon du fluide de
contrôle
dans les canaux usinés entraîne le fluage de la résine au travers du renfort.
Coupe B-B
Fluide ~ ,
contre-moule
Fermé
h ~~a~ Renforé imprégné
°'~'~'~ Ç Renforisec
Coupe C-C
Résine Fluide Pf Membrarre,nlasïique
Confire-moule
Renfort sec
Fiant de résine
~ ° y Renfort imprégné
~Ea' ~ ' Renfort sec
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26
b) Compaction du composite
Une fois l'injection du fluide de coht~ôle complétée, la pression de celui-ci
est augmentée jusqu'à une valeur P~ afin de terminer l'imprégnation du renfort
par
la résine et de compacter le composite. Le principe de fonctionnement ne
change
pas par rapport au cas général.
Coupe B-B
Fluide P ,Tf
Fermé Fermé
Canne-moule
Fermé
>;,~F," Renfort ïmprégné
Renfort sic
Coupe C-C
l 5 Fluide F'~ , Tt
contre-moufe
25 '~ ~~ Renfort imprêgné
~ ~~,~'~Renfort sec
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27
c) Solidification et démoulage du composite
La cuisson ainsi que le démoulage du composite ne diffèrent en rien de la
première variante du procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la
présente invention.
5. Moule à cavités multiples de type cc double chambre »
Cette approche permet la fabrication simultanée de plusieurs pièces
structurales en composite avec des moules rigides constitués par la
superposition
d'un certain nombre de cavités à « double chambre ». Bans le domaine des
composites, l'idée de fabriquer la méme pièce en plusieurs exemplaires avec un
seul dispositif d'injection a déjà été abordée de diverses fàçons. La méthode
proposée ici constitue une extension du procédé conforme au mode de
réalisation
illustratif de la présente invention. Comme pour tous les essais réalisés
jusqu'à
présent, cette méthode est fondée sur l'empïlement de couches de renfort
sépares
par une plaque en métal ou en mousse plus ou moins rigide, comportant sur une
surface l'empreinte mâle de la pièce à réaliser et sur l'autre l'empreinte
femelle. La
méthode proposée ici consiste à reproduire le principe décrit dans le cas
général du
procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente invention
au
niveau de chaque ensemble renfort/plaque. Un exemple de superposition est
représenté ci-dessous pour la fabrication d'une série de pièces composites
rectangulaires planes.
Chaque couche constituée du renfort, de la membrcea~e, de la base du moule
et du contre-moule va être utilisée de la même façon que dans la première
variante
du procédé conforme au mode de réalisation illustratif de la présente
invention.
Chaque renfort est d'abord zmprégné avec la résine, puis comprimé entre le
moule
métallique d'un côté et la membrane mise en pression par le fluide de contrôle
de
l'autre. Les avantages de cette approche sont les suivants
~ Fabrication de plusieurs pièces identiques en méme temps et dans le même
moule.
Même taux de compression sur toutes les pièces.
~ La pièce est rnainienue sans risque d'altération (pliage...) par les
pressions
appliquées sur chaque face.
~ La chaleur dégagée par la cuisson d'une pièce est utilisée pour la cuisson
de
la pièce située au-dessus.
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zs
a) Moule fermé et application du vide dans les chambres du renfort
Par application du vide dans la chambre du >'°en: fort, la pression
dans cette
chambre diminue jusqu'à la valeur P~l~e. La chambre de compression est à la
pression atmosphérique P~t,~t car le canal d'injection de jluicde est ouvert.
P vide
Ferm
Pice #5
Vid~ Ferm
Pice #4
Vid, Ferm
Pice # 3
Vid, Ferm
Pice # 2
Vid
Ferm
Pice # 9
1~
b) Début de l'injection de la résine
La résine est injectée par les canaux d'injection ~~e gésine de chaque
ensemble moule%ontre-moule. La résine peut être injectée simultanément dans
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29
toutes les chambres du renfort ou avec un décalage entre chaque injection. Le
schéma représente ici une injection simultanée.
Renforé irnprégnë
1-
1~
1~
1~
1v 1~
1~
!~ d~
c) Injection du fluide de contrôïe
Une fois toute la résine nécessaire à chaque pièce injectée, le ,fluide de
conty°ôle est injecté dans la chambre de contrôle par les canaux de
contrôle. Le
principe du contrôle du front de résine et du fluage de la résine à la surface
supérieure du renfort reste le même que dans le procédé général. Le fluide de
contrôle peut également être chauffé pour diminuer la viscosité de la résine
et
faciliter l' écoulement.
~~~~"~'~< Renfort sec
Rés~r~e
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~w
,r~~~ Renfort imprégné
°' Renfort seG
Fl~r;de de contrdle
n~~:_,.
III Ferm
Ferm
10 i~
Ferm
1~ ~h.
Ferm
Ferm
d) Remplissage de la chambre de compression
L'injection dans Ia chambre de compression se poursuit jusqu'au
5 remplissage complet de celle-ci. Le fluide de contrôle est maintenu â une
pression
Pf. Le fluage de la résine dans le renfort se poursuit.
Ferm
Ferm
Ferm
/n Ferm
Ferm n~
Ferm
Ferm
d~ Ferm
Ferm
1~ Ferm
~~'~~'i~ Rerefort imprégné
Renfort sec
Fluide pressurisà à Pf
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31
e) Compression du com osite
Le fluide de contrôle est soumis â une pression de compression I'Ç afin de
terminer le fluage de la résine dans le renf~rt et comprimer le composite
comme
dans 1a première variante du procédé conforme au mode de réalisation
illustratif de
la présente invention.
Renfort imprégné
Ferm ans
Ferm Ferm
Ferm .rl~
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
Ferm .~,
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
f) Cuisson et consolidation du composite
Le moule inférieur est porté à la température souhaitée comme dans le cas
général. Un des avantages de cette approche rëside dans la possibilité
d'utiliser la
chaleur de la réaction de polymérisation qui est exothermique pour initier la
cuisson de la pièce immédiatement supérieure. En effet, l'énergie utilisée
pour
chauffer le moule inférieur va être restituée étage par étage à toutes les
couches de
composites plutôt que de ne servir qu'à la cuisson d'une seule pièce comme
dans le
cas du moule unique. Une fois amorcée, la polymérisation de la matrice liquide
est
accompagnée d'un dégagement de chaleur, qui participe à la diffusion rapide du
flux de chaleur sur la hauteur du moule. Le premier composite est cuit en
premier
lieu, puis séquentiellement ceux qui sont situés au-dessus. tes
caractéristiques
permettent d'augmenter le rendement calorifique de l'ensemble. Ä noter que des
éléments chauffants pourraient être ajoutés dans la chambre de compression ou
dans les mouleslcontre-moules intermédiaires afin d'accëlérer encore le
processus
de cuisson.
_.~~~ ~,:...~ Renfort sec
Fluide pressurisé à P~.
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32
Renfort cuit
Renfort imprégné
,~ v Renfort sec
Ferm
Ferm Ferm
Ferm .(~
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
Ferm djr
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
Les pièces cuisent ainsi l'une après l'autre jusqu'à la solidification
complète de l'empilement.
' Renfork cuit
' ~a- Renfort imprégné
Renfort sec
Ferm 11~
Ferm Ferm
Ferm .(~r
Ferm Ferm
Ferm .1s
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
Ferm
Ferm Ferm
Les processus de refroidissement et de démoulage sont identiques à la
procédure suivie dans la première variante du procédé conforme au mode de
réalisation illustratif de la présente invention.
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33
4. Moule à cavités multiples superposées
Afin de réduire les temps de fabrication moyens par pièces, une variante
simplifiée de la méthode précédente est proposée, fondée sur' la superposition
de
couches de renfort et de couches de séparation usinées pour donner la forme
voulue au composite final. "Traditionnellement, les méthodes d'injection de
résine
liquide sur renfort ou d'infusion de résine ne permettent pas de fabriquer
plusieurs
pièces simultanément dans le même moule. Chaque pièce est obtenue séparément
des autres en suivant la procédure décrite précédemment de mise en place du
renfort, fermeture du moule (ou positionnement d'une membrane), application ou
non du vide dans la cavité du renfort, imprégnation du renfort, cuisson (ou
refroidissement) et démoulage de la pièce.
L'approche proposées ici permet d'éviter la répétition de toutes ces étapes
pour chaque pièce. Cette approche permet d'obtenïr plusieurs exemplaires à la
fois
sans pour autant nuire à la qualité finale du composite. Ce procédé est
particulièrement adapté à la fabrication en série de pièces structurales,
parce qu'on
ne peut pas obtenir avec cette approche un fini de surface d'un côté du
composite
de la même qualité qu'avec l.e principe de la chambre double.
4. 7 Description générale
Le but de cette description est de mettre en avant les concepts apportés par
cette variante de la présente technologie sans entrer dans les détails
techniques de
son implémentation. Le procédé de fabrication sera décrit et illustré pour la
fabrication d'une pièce en composite de géométrie simple et pour un nombre de
pièces limité à quatre pour .des raisons de simplicité. Cependant, le princïpe
peut
être généralisé à tous les types de pièces, de renforts, de résine et un
nombre
quelconque de pièces. Le principe de base du procédé reste 'injection de
résine
liquide à travers un renfort. Nous appellerons premier renfort le renfort
placé le
plus bas dans l'empilement des couches. Celui immédiatennent au-dessus sera
nommé deuxième renfort, et ainsi de suite. Le moule servant: à la fabrication
de
toutes les pièces est composé d'un moule inférieur rïgide avec la géométrie
requise
pour obtenir la face inférieure de la pièce souhaitée, de cadre;9 rigides
positionnés
sur la base du moule inférieur et délimitant un espace nommé espace
d'empilement
dans lequel les couches de renfort et les couches de séparation seront
placées, et
enfin d'un moule supérieur avec la géométrie requise pour obtenir la face
supérieure de la pièce souhaitée. On notera qu'il y a besoin d'autant de
cadres qu'il
y a de pièces à fabriquer si3nultanément. Le moule dispose également de canaux
d'injection de résine et de canaux d'évacuation de résine afin de permettre
l'injection de la résine sur le renfort ainsi que l'évacuation de l'air et du
surplus de
résine.
Une couche de séparation est placée entre chaque couche de renfort. La
couche de séparation a une géométrie spécifique : la partie inférieure est
usînée à
CA 02434447 2003-06-27
34
la forme réquise pour obtenir Ia face supérieure de la piéce souhaitée, et
inversement pour la partie supérieure. Le matériau constitutif de la couche de
séparation est suffisamment compressible pour pouvoir se déformer au moment de
l'injection de la résine dans le renfort, mais aussi suffisamment rigide pour
transmettre l'effet de la pression du liquide injecté dans un renfort sur les
renforts
voisins dans l'empilement. Un fluide de contrôle pourrait éventuellement être
injecté soit dans la couche de séparation si celle-ci est poreuse, soit entre
celle-ci et
la membrane recouvrant le renfort. I~loter que les couches de séparation
peuvent se
déplacer librement verticalement dans l'espace d'empilement. Aim de faciliter
le
transfert de la chaleur d'une couche de renfort à l'autre, le matériau
constitutif de
la couche de séparation possède une bonne conductivité thermique.
Le premier renfort e;>t placé sur le moule inférieur; il est maintenu en place
par le premier cadre qui dispose d'une encoche servant à retenir le renfort au
moment de l'injection de la résine. La première couche de séparation est
placée
au-dessus du premier renfort. La manipulation est répétée autant de fois que
nécessaire pour obtenir le nombre prévu de renforts. L'ensemble est ensuite
recouvert du moule supérieur rigide.
Canal a
de résin
xnal d'injection
résine
Pi
icoche
Premier
Premi intercalaire
de séx
Moule inférieur
Piéce # 1 Pièce # 2
Le procédé est fondé sur une injection séquentielle avec un léger décalage
de la résine liquide dans les couches de t°enfort. L'injection commence
dans le
premier renfort, puis se poursuit successivement dans tous les renforts de
l'empilement: Une description plus détaillée du processus d'injection est
décrite
dans la suite dans le cas de quatre renforts superposés.
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4.2 Présentation détaillée
a) TnIP(',tilln rlanc 1P nrPmiPr rPnfnrt
La résine est injectée: sous Ia pression Pr dans le renfort, ce qui occasionne
une déformation de la pa~emière couche de sépar~atio~a. Étant donné qu'aucune
5 force ne s'oppose au déplacement de la première couche de sépci~atioh, celle-
ci
presse le deuxième renfoYt vers le haut.
,~'~~~~:~ Renfort imprégné
F~°ont de
résine
Tlide
Résine à PY
b~ Tniectinn dans 1~ c~Pmxième renfort
Une fois que la résine a flué dans le renfort sur une distance déterminée
auparavant comme étant optimale, L'injection commence dans le deuxième
renfort.
La résine injectée sous pression produit le même effet que lors de la première
injection. Elle déforme les couches de séparations situées au-dessus et en
dessous
du deuxième renfort. Le pre;~nier° ~°enfo~t est ainsi comprimé
au niveau où la résine
est présente dans le deuxième renfort.
"~~~=~~~M~~ Renfort imprégné
hide
RéSll2e ti .~r
' yk~~
Renfori sec
~~ Renfort sec
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C) TniPr,tinn Blanc 1P trniRiPmP rPnfnrt
L'injection dans le troisième renfort s'effectue de la mëme façon et avec un
décalage lui aussi prédéterminé. La pression appliquée à la résine injectée
dans le
troisième renfort comprime Les renforts situés en dessous.
~~~,a.>'âi~ ' Renfori imprégné
~~~~,~a
Tlide ~ ''~"i Résine à Pr
'"'~'1
d) PrniPr rPnfDxt
L'injection dans le dernier ~enfo~°t s'effectue toujours de la même
façon.
Seulement dans ce cas, la résine sous pression ne peut pas déformer le
matériau
rigide situé au-dessus du ,a~ehfoYt. Du coup, la déformation de la couche de
séparation s'effectue vers le bas, comprimant ainsi les couches de renfort
situées
en dessous. L'imprégnation des couches de rer~foa~t s'effectue ainsi sous
contrôle
de la pression appliquée sur la surface supérieure du ~ehfort. Cette pression
correspond à celle appliquée dans la couche située au-dessus. L,e fluage de la
résine
à l' intérieur du re~afort se fait ainsi plus rapidement et avec un contrôle
du
déplacement du front de résine.
à. ~~ Renfort sec
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Rsine PY
~
1
e) S~Li~j.~cü.on
1 (3
20
~y~'~~~Renfort imprégné
~''~ Renfort sec
.s... ~~
'~~ Renfort imprégné
r a.
', Renfort sec
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f) Fin de l'injection de la résine
~~~~v~ Renfort imprégné
L'injection se termine quand la dernière couche de renfort est totalement
imprégnée.
g) Compaction des renforts
Afin d'augmenter le taux de fibres des composites obtenus et pour
améliorer la reproductibilité des pièces fabriquées dans l'empi:iement, une
force de
compression peut être appliquée sur le moule supéa~ieur. La rigidité des
couches de
séparation est suffisamment importante pour que les renforts imprégnés soient
compactés en suivant la géométrie des couches de séparation. Pour cette
raison,
i5 l'écrasement des couches de sépaYation reste relativement faible.
Comparativement à la méthode de base oû la compaction finale du
composite se fait au moyen de la pression exercée par le fluide de contrôle,
la
procédure de compression avec un plateau rigide présentée ici est moins
efficace
du point de vue de la reproductibilité des pièces, car la consolidation du
composite
ne s'effectue pas selon une direction normale à la surface: de la pièce, mais
seulement selon une direction verticale. IJn moyen de pallier cet inconvénient
est
de procéder comme dans la méthode de base, c'est-à-dire d'injecter un fluide
de
contrôle entre la partie supérieure du moule et une membrane recouvrant le
dernier
renfort de l'empilement. Ä noter qu'une alternative consiste à recouvrir
chaque
renfort d'une membrane et injecter simultanément un fluide, de contrôle entre
chaque couche de séparation.
__ ; F ..:Renfort sec
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Renforé cuit
R r3y~ ~a . Renfort imprégné
~~ ~ t~~~ a' Renfort sec Fo~'ce de compactioh
h) C''miccnn dPC rnmn~
Pour cuire les pièces en composite ainsi formées, la température du moule
inférieur est augmentée. Étant donné que les couches de renfort sont
superposées
verticalement, la chaleur apportée à une couche de ~°ehfo~t favorise la
cuisson de la
couche immédiatement supérieure (on suppose ici que Ies couches de sépaYatioh
possèdent une bonne conductivité thermique). L'économie en terme de
IO consommation d'énergie est importante, puisque la chaleur de la réaction
chimique
exothermique de polymérisation de la résine est utilisée pour cuire
successivement
du bas vers le haut toutes les pièces de l'empilement. Le fait de cuire quatre
pièces
à la fois réduit le temps dc~ cuisson moyen de chaque pièce par rapport à une
cuisson individuelle. Pendant la cuisson, la force de compression est
maintenue.
Renfo~~t cuit
.= Renfoft imprégné
~'er~s de la
cuisson
Chauffage de la base du moule
Force cor~t~ôlée
3.~»~_ Renf~rt sec
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Renfort ccsit
''~ ~r f Renfort imprégné
~. 3
5
Une fois la cuisson achevée, le mode opératoire pour démouler les pièces
obtenues reste le même que pour les variantes précédentes. Le moule est
refroidi,
10 la force de compression est supprimée, puis le moule supérieur est ouvert,
et le
dernier cadre enlevé. La dernière pièce peut alors être démoule, et la
dernière
couche de séparation dépl~.cée. Ces opérations sont répétées pour chacune des
pièces. Selon la façon dont les joints d'étanchéité sont conçus sur les cadres
superposés, une étape de finition peut être nécessaire avant d'obtenir les
pièces
15 (anales.
Bien que la présente invention ait été décrite, de mani~;re non restrictive, à
l'aide d'un mode de réalisation illustratif de celle-ci, ce mode de
réalisation peut
être modifié sans pour cela nécessairement sortir du cadre et de l'étendue de
la
20 présente invention.
~, ~ ;_
' ' Renfort sec
