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W02018/229437 1 PCT/FR2018/051397
Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite,
et pièce composite obtenue.
La présente invention concerne le domaine des pièces en
matériau composite, comprenant une matrice thermoplastique ou
thermodurcissable renforcée de fibres, telle que, non
limitativement, des ferrures.
On notera que par fibre on entend toutes les formes sous
lesquelles peuvent être présentées les fibres de renfort, et
notamment, mais non limitativement, des mèches, rubans ou
cordons de fibres de renfort.
De telles pièces en matériau composite, comme celles
décrites dans les documents DE 29 45 469, FR 3 032 144, DE
102010025940 et WO 2015/066407 par exemples, présentent une
structure en treillis obtenue par bobinage de fibres imprégnées
de résine sur un châssis duquel ont saillie des plots, en sorte
de permettre de faire cheminer et de tendre les fibres entre
lesdits plots pour les orienter préférentiellement selon les
directions de sollicitation.
Du fait de la disposition des broches, les fibres
s'étendent dans des plans sensiblement parallèles, ou
parfaitement parallèles comme dans le document WO 2015/066407,
avec pour conséquence que la structure en treillis obtenue ne
peut pas répondre, de manière optimale, à des sollicitations
exercées dans des directions autres que celles parallèles
auxdits plans.
On sait que les fibres de renfort ont montré leur
efficacité dans la capacité à réaliser des structures mécaniques
à la fois résistantes et légères. Cette efficacité est due à ce
que les barres constituant le treillis sont sollicitées en
traction ou compression, sollicitations particulièrement
adaptées à présenter des contraintes uniformes dans les sections
droites des barres.
Il est bien connu que, pour les matériaux composites, la
tenue des fibres en compression est plus modeste que la tenue de
celles-ci en traction, tout particulièrement du fait du problème
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du flambage des fibres en compression, flambage global ou local
des fibres.
Cela est plus flagrant lors de croisements des fibres au
niveau de n uds intermédiaires, la sollicitation en compression
provocant inévitablement la désolidarisation des jonctions de
fibres.
Dans le document FR 3 032 144, les fibres sont disposées
selon une forme de treillis dans une première préforme, qui est
compactée pour former une seconde préforme apte à être moulée.
La phase de compactage induit la non rectitude des barres
formant le treillis. De plus, l'écrasement de ces barres dans
leur extrémité crée des formes complexes propres à induire des
sollicitations parasites dans les barres.
De plus, lors de la phase d'écrasement, les fibres sont
soit sur-tendues, ce qui entraine des contraintes internes
significatives dans la pièce finale, soit sous-tendues ce qui
génère leur plissage.
Afin de pouvoir solliciter des fibres minces en
compression, il convient de respecter les trois conditions
suivantes : que les fibres soient parfaitement rectilignes,
qu'elles soient bloquées dans leur déformation ou déplacement
transversal (e) à leur direction principale, et que
l'introduction de l'action mécanique dans les fibres se fasse
sans introduction d'aucune sollicitation parasite.
Dans le cas d'une structure en treillis constituée d'un
entremêlement de fibres, la traction est bien reprise par le
réseau de fibres car cette sollicitation consolide le n ud
constitué par le croisement de fibres.
En revanche, la compression des fibres a tendance à
désolidariser le n ud. La forme incurvée de la fibre due au
croisement de celle-ci favorise la flexion locale de la fibre
mise en compression et donc le flambage global de la fibre.
La présente invention a pour but de remédier aux divers
inconvénients précités, en proposant un procédé de réalisation
d'une pièce en matériau composite, et plus particulièrement de
réalisation de la structure treillis d'une pièce en matériau
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composite, respectant les trois conditions précédemment
définies, ainsi que la pièce obtenue, en sorte que cette
dernière présente une tenue mécanique en compression.
Le procédé de réalisation d'une pièce en matériau
composite, selon l'invention, consiste à rajouter une matrice
thermoplastique ou thermodurcissable autour d'une préforme
constituée d'un treillis de fibres de renfort réalisé par
enroulement filamentaire autour des ergots ou analogues d'un
châssis, et il se caractérise en ce qu'il consiste à enrouler en
outre les fibres sur une ou plusieurs bobines internes à la
matrice, les axes desdits ergots ou analogues et ceux de ladite
une ou plusieurs bobines, étant d'orientations différentes, en
sorte de conférer audit treillis de fibres une forme
tridimensionnelle.
Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon
l'invention, on réalise des enroulements entre des paires de
bobines internes, pour former des barres constituant la
structure de treillis.
Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé
selon l'invention, les enroulements entre deux bobines d'une
paire de bobines sont réalisés en passant d'un côté ou de
l'autre de l'une et/ou l'autre bobine, en sorte de créer, au
sein de la barre qui relie lesdites deux bobines, au moins un
croisement de fibres.
Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé
selon l'invention, on réalise, préalablement à l'amorce de
l'enroulement de la fibre sur une bobine vers une autre bobine
pour la création d'une barre, un ou plusieurs enroulements
complets autour de la bobine.
Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé
selon l'invention, on effectue un ou plusieurs enroulements
complets de consolidation autour de la bobine entre les fibres
qui forment les barres, pendant et/ou après la réalisation des
enroulements de création desdites barres.
Selon une autre caractéristique additionnelle du procédé
selon l'invention, l'ajout d'une matrice thermoplastique ou
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thermodurcissable autour de la préforme est réalisé soit par
trempage, soit par pulvérisation, soit par surmoulage.
De manière avantageuse, les bobines pourront également
constituer des formes interfaces de la pièce finale.
La ou les bobines internes permettent de créer des n uds
intermédiaires, permettant un changement de direction d'un plan
dans un autre non parallèle, et donc de réaliser des formes
globales complexes en trois dimensions.
Le processus d'enroulement peut être judicieusement
robotisé, il permet de réaliser la dépose de fibres tout en
maintenant une tension, ce qui est le garant de la rectitude de
ces fibres.
Cet enroulement local peut se décomposer en une phase de
création préliminaire de la forme du n ud par un enroulement
initial autour de la bobine servant à donner la résistance et la
rigidité minimale au n ud, puis des enroulements de création des
barres consolidées par des enroulements de consolidation
réalisés pendant ou après les enroulements de création des
barres.
Dans le cas de l'utilisation de résine thermoplastique
d'imprégnation des fibres, l'enroulement est réalisé avec un
réchauffement de la fibre, puis un refroidissement de l'ensemble
de la préforme pour lui donner une cohésion globale.
Dans le cas de l'utilisation de résine thermodurcissable
d'imprégnation des fibres, l'enroulement est réalisé avec un
réchauffement suffisant de la fibre puis un refroidissement de
l'ensemble de la préforme pour lui donner une cohésion globale
avec, si nécessaire, un passage à une température de
réticulation.
La préforme ainsi constituée est ensuite entourée d'une
matrice, préférentiellement mais non limitativement, du même
matériau ayant servi à l'imprégnation des fibres, soit par
trempage dans un bain de matériau constituant la matrice, à la
température recommandée pour présenter une fluidité suffisante
pour couvrir le treillis de fibres, soit par pulvérisation, soit
par moulage dans un moule, le volume de comblement de la pièce
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étant injecté en complément du treillis préalablement disposé
dans le moule.
Outre que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une
grande rectitude de fibres, il autorise, par conséquent, une
5 utilisation de moins de fibres de renforcement.
De plus, il permet de faire des pièces plus légères et donc
moins chères.
Les avantages et les caractéristiques du procédé selon
l'invention, et des pièces qu'il permet de mettre en uvre,
ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui
se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs
modes de réalisation non limitatifs.
Dans le dessin annexé :
- les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques
d'une bielle plane en cours de fabrication par le procédé selon
l'invention,
- la figure 3 représente une vue schématique d'une
variante de la même bielle.
- la figure 4 représente une vue schématique partielle et
en coupe d'une partie de la même bielle,
- les figures 5, 6, 7 et 8 représentent des vues
schématiques en perspective de pièces en matériau composite
fabriquées selon le procédé.
En référence aux figures 1 et 2, on peut voir une bielle
plane 1 en matériau composite fabriquée par la mise en uvre du
procédé selon l'invention.
Plus précisément, la figure 1 représente une première étape
de fabrication d'une structure en treillis 10 de fibres de
renfort F, réalisée par enroulement filamentaire.
La fibre F, qui peut consister, non limitativement, en des
mèches, rubans ou cordons de fibres de renfort, est enroulée
entre deux poulies 2 et 3 destinées à la constitution des deux
illetons de la bielle 1, et portées par un châssis non
représenté.
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Selon l'invention, le châssis porte également des bobines
4, ou poulies intermédiaires, disposées entre les poulies 2 et
3, et sur lesquelles la fibre F est également enroulée.
Ces bobines 4, ou poulies intermédiaires, permettent, la
création entre chaque paire de bobines 4, des barres 5 qui
forment la structure en treillis 10.
Sur la figure 2 on peut voir une étape suivante du procédé,
qui consiste à mouler sur la structure en treillis 10, une
matrice M thermodurcissable ou thermoplastique suivant le cas,
les bobines 4 et les barres 5 étant noyées dans cette matrice M.
En référence maintenant à la figure 3, on peut voir que le
procédé selon l'invention autorise de multiples possibilités de
réalisation de la structure en treillis 10, notamment lorsque
les bobines 4 présentent un certain diamètre.
Il est ainsi possible, lors de la réalisation d'un
changement de direction de l'enroulement sur une bobine 4, de
passer d'un côté ou de l'autre de cette dernière, de tendre des
fibres F obliquement dans une barre 5.
Les bobines 4 permettent de varier les bobinages, directs
ou croisés, simples ou multiples de manière à permettre une
optimisation du treillis de fibres.
On notera que le moulage de la matrice M est réalisée dans
un moule, non représenté, et que dans celui-ci peuvent être
disposées, avant moulage, plusieurs préformes constituées
chacune d'une structure de treillis 10.
On notera également que sur les figures 1, 2 et 3, les
bobines 4 peuvent selon l'invention, comme cela n'est pas
visible sur une vue en plan, ne pas être dans un même plan, en
sorte que les barres 5 soient inclinées selon des plans non
perpendiculaires aux axes des bobines 4.
En référence à la figure 4, on peut voir une bobine 4, ou
poulie intermédiaire. Cette bobine 4 comporte, dans ce mode de
réalisation non limitatif, un arbre 40 et deux flasques latéraux
41.
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On comprendra qu'une telle bobine 4 permet que les fibres F
puissent s'étendre dans des plans non perpendiculaires à l'axe
de l'arbre 40.
Selon l'invention, l'enroulement de la fibre F au niveau
d'une telle bobine 4 est décomposé en plusieurs phases. Dans un
premier temps on réalise un enroulement initial 42 autour de
l'arbre 40 entre les flasques 41, afin de donner la résistance
et la rigidité minimale au n ud à former, puis on réalise un
enroulement vers une autre bobine 4 pour la création des barres
5, et enfin, des enroulements 43 autour de l'arbre 40 et entre
les fibres F qui forment les barres 5, et réalisés pendant et/ou
après la création de enroulements de création des barres 5.
Ces enroulements ont pour but de bloquer la déformation en
compression dans la zone enroulée, mais également de réduire,
selon la nécessité, la longueur des barres 5 sujettes au
flambement.
En référence aux figures 5, 6, 7 et 8, on peut voir des
pièces composites, respectivement 6, 7, 8 et 9, réalisées par la
mise en uvre du procédé selon l'invention.
On peut constater que l'enroulement des fibres peut être
réalisé entre deux bobines 4 d'axes non parallèles.
L'enroulement ainsi obtenu est globalement vrillé tout en
respectant la rectitude des poutres 50 de fibres constituant les
barres 5.
Ce vrillage associé au choix du diamètre des bobines 4,
permet de créer un fibrage tridimensionnel présentant
potentiellement de la résistance hors plan.
On notera que certaines bobines 4 de ces pièces 6, 7, 8 et
9 constituent des formes interfaces.
Il est possible de créer un treillis de fibres
tridimensionnel propre à optimiser le fibrage d'une pièce
volumique, ayant une tenue mécanique lors de phases de mise en
compression des barres 5 constituant le treillis 10.
