FR2882682A1 - Procede et dispositif de mise en oeuvre sous vide et chauffe par induction, pour la fabrication rapide de pieces en materiaux composites, notamment des bio composites - Google Patents

Abstract

Selon l'invention, on réalise un procédé et un dispositif de mise en oeuvre de pièces en matériaux composites, à base de fibres naturelles pré imprégnées de résines thermoplastiques. Les étapes du procédé incluent les phases suivantes : une première phase comprenant le dépôt d'au moins une couche (30) de renforts pré imprégnés sur un outil de moulage (20). Une seconde phase consiste en la mise en place sur la ou les couches de renforts pré imprégnés, de consommables et d'une membrane réalisée dans un matériau élastique (40). Dans une troisième phase, l'obtention d'un vide primaire est assurée lors de la mise en route de la pompe à vide (60) reliée par un orifice entre la membrane et l'outil de moulage. Dans une quatrième phase, un système de chauffage par induction régulé (10) augmente la température du moule et des tissus via un phénomène de conduction de la chaleur. La résine flue et enveloppe ainsi l'outil de moulage. L'ensemble thermo compressé, forme la pièce composite sur le moule avec le maintien de la force engendrée par la membrane sur l'outil de moulage, consolidant ainsi le matériau composite pendant la cinquième phase, celle du refroidissement (50).

Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mise en oeuvre sous

vide et chauffé par induction, pour la fabrication rapide de pièces en matériaux composites, notamment des bio composites.

De nos jours, les matériaux composites sont de plus en plus intégrés dans les produits issus des grandes industries, entre autres, dans la fabrication des pièces industrielles pour l'automobile, le nautisme, l'aéronautique, le bâtiment, l'emballage, l'énergie ou autres.

La principale préoccupation pour ces applications composites est d'optimiser 10 le gain de production en minimisant le nombre des étapes de fabrication de la pièce et en réduisant le temps de mise en oeuvre et le coût énergétique.

Un dispositif permettant en une seule étape de chauffer, compresser et d, e refroidir une plaque, une coque ou un corps creux en partant de renforts pré imprégnés apporte donc tous ces avantages. Il est très intéressant pour des pièces composites de petites et moyennes séries, grâce à des investissements relativement réduits.

De plus, l'exigence du marché industriel implique une perpétuelle recherche d'allègement des matériaux et la nécessité de respecter de nouvelles normes environnementales de plus en plus strictes. Ainsi, par exemple, l'utilisation d'un thermoplastique renforcé par des fibres de lin présente le double intérêt d'être deux fois plus léger qu'un composite à base de fibre de verre et d'être biodégradable, tout en conservant des propriétés mécaniques spécifiques élevées.

On connaît d'après la demande de brevet WO0100405, qu'il existe un procédé permettant de produire un stratifié compact. Ce procédé comprend les étapes suivantes: insertion d'un pré imprégné avec une composition de résine dans une enveloppe à vide; chauffage du pré imprégné sous vide; cuisson de cette composition de résine.

Un inconvénient dans ce procédé est de devoir utiliser uniquement des résines thermodurcissables qui ne sont pas recyclables. Celui-ci nécessite un dispositif spécifique de chauffage pour une complète réticulation du thermodurcissable. De plus, il est à noter que ce dispositif n'a pas été adapté à la mise en oeuvre de coques ou de corps creux.

D'après la demande de brevet EP1162055, le procédé de moulage sous vide d'un matériau composite à couches s'applique uniquement aux résines non durcies, et par conséquent ce procédé n'est valable que par l'ad jonction d'un catalyseur et nécessite par conséquent des phases supplémentaires.

D'après la demande de brevet EP1166989, le procédé et le dispositif de moulage sous vide utilise deux chambres sous vide, couplé à plusieurs systèmes d,e soupapes assurant une commutativité entre les chambres à vide. Ce procédé reste très complexe et onéreux à mettre en place au sein d'une PME.

De même, d'après la demande de brevet FR2816237, le dispositif nécessite un corps de moule qui comprend un moule positif et un moule négatif, du même type que sur une presse. Il est alors nécessaire de réaliser la fabrication de deux outils de moulage pour obtenir une pièce, d'où un coût relativement important.

D'après une autre demande de brevet WO0066347, celui-ci concerne uniquement un produit composite creux nécessitant impérativement l'emploi d'une presse. Un inconvénient majeur de ce procédé est qu'il implique de nombreux moyens au vue de la forte pression interne exercée dans la poche gonflable.

La présente invention a donc pour but de fabriquer des pièces composites présentant des caractéristiques structurales importantes sans utiliser de presses oeuvre implique obligatoirement un coût élevé à l'achat. La maintenance du moule et du contre-moule en matériaux métalliques sont également lourds et coûteux. De même, l'autoclave est une enceinte chauffée et sous pression qui est limité par les dimensions de la pièce composite et dont les temps de cycles sont plus longs.

L'investissement pour un tel équipement sera également plus important. L'étuve n'a quant à elle pour unique fonction que de chauffer et ne possède pas de système pour comprimer la pièce composite pendant son cycle de chauffage.

Grâce à l'utilisation d'un moule de faible épaisseur combiné à un système de chauffage, d'une membrane et de différents consommables, on obtient ainsi en une seule étape, une pièce composite finie. Les pièces obtenus auront une seule face d'aspect (côté moule) et une face brute de moulage (côté système de mise sous vide). Toutefois, il apparaît sur le marché des films améliorant l'aspect de surface de type Tedlar . La facilité de mise en oeuvre autorise une rentabilité importante et une fabrication rapide des pièces composites avec la possibilité d'adapter plusieurs postes de travail en simultané. Le dispositif nécessite d'autre part peu d'entretien et de maintenance. Un simple nettoyage de l'outil de moulage et la simplicité du système permet une minimisation des coûts d'exploitation.

D'après la demande WO0185827, le procédé ne s'applique qu'aux matériaux polymères chargés de particules ferromagnétiques. Ces charges assurent ainsi l'élément inductif nécessaire au chauffage de la pièce mais sont par conséquent obligatoirement inclus dans le composite. Par la suite, suivant l'utilisation de la pièce composite, ceci peut avoir des effets néfastes.

La présente invention a pour avantage d'utiliser un système de chauffage por induction, couplé à un système d'asservissement de la température qui permet de chauffer le moule en acier ferromagnétique avec un noyau en aluminium. Un inducteur linéaire d'une puissance pouvant atteindre 200 KWatts, couplé à un générateur, est situé à l'intérieur de l'outil de moulage. Il est traversé par un champ magnétique alternatif rapide. Lorsque l'on place l'outil de moulage dans ce champ alternatif électronique, des courants de Foucault puissants se forment directement dans l'outil de moulage qui chauffe très rapidement. Ceci permet une montée en température très rapide par conduction des renforts pré imprégnés, ainsi qu'un rendement optimal par rapport aux autres moyens plus conventionnels tels que les résistances chauffantes. De plus, le contact entre l'outil de moulage et le foyer à induction n'est pas indispensable puisque l'effet d'induction se créé déjà à une petite distance. Ainsi, toutes les parties de l'outil de moulage ne sont pas contraintes d'être en contact avec l'inducteur. Lors de l'arrêt, l'inertie quasi nulle donne un refroidissement immédiat. Ainsi, le contrôle de la température est très précis. En outre, le système consomme très peu d'énergie puisque l'inducteur ne fonctionne que pendant quelques minutes et se coupe instantanément après le moulage de la pièce.

Pour augmenter la vitesse de refroidissement de la pièce composite et réduire le temps de cycle du procédé, la présente invention prévoit un système die refroidissement. Celui-ci peut être par exemple un jet d'air qui ventile le dessus et le dessous du dispositif, abaissant rapidement par convection la température du pré imprégné. Ce système peut également être intégré à l'outil de moulage si on utilise un serpentin d'eau réfrigérée qui traverse l'outil de moulage. Il est tout à fait envisageable de coupler ces deux systèmes de refroidissement afin d'obtenir une chute de température encore plus rapide.

La compression du tissu pré imprégné est occasionnée par la mise sous vide, créant une dépression entre l'outil de moulage et la membrane, provoquant la migration transverse du thermoplastique vers le haut, pendant le chauffage. Ceci permet d'obtenir une pièce composite finie ayant un taux de fibres très élevé.

La présente invention utilise des résines thermoplastiques renforcées par des fibres naturelles telles que le lin, le chanvre et/ou autres. Aujourd'hui, l'apport structural fort de ces fibres naturelles longues noyées dans une résine thermoplastiques est démontré.

Afin de convenir encore mieux aux conditions de respect de l'environnement, l'emploi de matrices naturelles type amidon peut également permettre d'obtenir au final un composite 100% biodégradable puisque 100% naturel. L'invention présente s'adapte tout particulièrement à la mise en oeuvre de ces composites naturels.

Un autre avantage du moulage sous vide est d'inhiber le risque d'inflammabilité de la résine et de la fibre puisque il y a diminution du taux d'oxygène, favorisant, par exemple, la bonne tenue des fibres de lin pendant l'opération de chauffage, en écartant tous risques de dégradation chimique et physique de la fibre naturelle.

Le procédé de moulage sous vide permet du point de vue général de contrôler l'émanation de vapeurs toxiques provenant de produits chimiques situés dans la résine et/ou les renforts lors du chauffage grâce à la membrane assurant l'étanchéité avec l'environnement extérieur. En effet, ces composés organiques volatils (COV) sont aspirées par la pompe et peuvent être traitées avant d'être rejetées dans l'atmosphère. Ainsi, vis à vis de l'opérateur et de l'environnement, le dispositif favorise les conditions d'hygiène et de sécurité en suivant les règles de conformité, notamment en matière de quantité d 'émission de COV.

Avec notre dispositif comprenant un système de chauffage intégré, la mise en oeuvre de tous types de résines est alors réalisable.

La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de fabrication d'un matériau composite à base de renforts naturelles pré imprégnés de matière organique qui soit de mise en oeuvre aisée et rapide, économique sur un plan industriel et énergétique et en accord avec l'environnement durable.

L'invention propose grâce à ce procédé un produit pouvant se présenter sous une forme simple plane, comme une plaque ou semi complexe, allant d'une coque à un 2882682 6 Selon l'invention, le procédé de fabrication du composite est caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: On applique sur le moule adapté au chauffage par induction, un agent démoulant approprié qui prend compte les conditions expérimentales; - On découpe les consommables, tels que: le tissu de délaminage, le tissu d'absorption, le drain, le film séparateur, ainsi que la membrane à vide. Cette étape doit être exécutée avec minutie, car la qualité d'exécution va avoir une influence non négligeable sur le produit fini; - On taille les renforts pré imprégnés à matrice thermoplastique. Ladite matière thermoplastique peut être choisie parmi des polyoléfines, notamment le polypropylène, le polyéthylène; - On positionne les plis de pré imprégnés selon l'orientation choisie. L'orientation des plis devra être choisie en fonction des caractéristiques 15 mécaniques pré définies; Au dessus des tissus, on installe les différents consommables dans l'ordre suivant: le tissus de délaminage, le film séparateur, le tissu absorbant et le drain. Toutefois, certains consommables ne sont pas indispensables et peuvent être éliminés selon les caractéristiques souhaitées. Ces films employés devront avoir une température de fusion supérieure à celle de la matrice pour ne pas risquer leurs dégradations pendant le chauffage; - On place la membrane à vide sur l'ensemble réalisé via la mise en place d'un mastique d'étanchéité. Cette membrane peut être souple, en silicone, en nylon et/ou autres, ou semi rigide comme par exemple, l'utilisation d'un composite à matrice époxyde, et/ou autres. L'avantage de cette dernière est la qualité de l'aspect de surface. Dans ce cas, les deux cotés du matériau possèdent au final un aspect de surface lisse. L'utilisation d'une membrane réutilisable selon l'application permet de diminuer le prix des consommables et donc le prix final de la pièce composite moulée.

Selon une caractéristique, le procédé comprend une étape consistant à assurer un vide primaire suffisant. Le vide à obtenir est une dépression d'au moins 0.5 bars. Pour obtenir le vide entre la membrane et l'outil de moulage, des prises de vide sont nécessaires. Celle-ci peuvent être situées soit sur la membrane à l'aide d'une ou plusieurs sorties de vide, ou par le biais d'un ou plusieurs orifices situés dans le moule.

Selon une autre caractéristique, le système de chauffage employé est un ou plusieurs éléments d' induction. Après la mise en route de celui-ci, l'effet inductif chauffe l'outil de moulage qui par conduction thermique transfère le flux de chaleur vers les fibres de thermoplastique utilisées pour notre étude. Elles se liquéfient à la température de fusion, enveloppant ainsi l'outil de moulage. Une fois la température de 165 C atteinte, par exemple pour un polypropylène, le maintient de celle-ci doit être optimisé selon le type de résine, le nombre de plis, et autres, afin que l'ensemble de la matrice soit réparti de façon homogène dans la pièce en composite, en évitant les zones sèches. L'ensemble chauffé forme la pièce composite sur l'outil de moulage avec le maintien de la force engendrée par la membrane sur l'outil de moulage.

Selon une autre caractéristique, on refroidit le matériau jusqu'à une température définie autour de 60 C, par un système de jet d'air qui vient ventiler la partie supérieure du dispositif. Cette étape fixe les caractéristiques dimensionnelles et structurelles définitives de la pièce composite ainsi que son aspect final.

Quant au dispositif de mise en oeuvre du procédé, il est caractérisé essentiellement en ce qu'il comprend: des moyens d'outil de moulage pour former la pièce composite suivant des dimensions précises. Ils sont usinés, emboutis et/ou autres, en aciers ferromagnétiques avec ou sans point de curie ou en alliages spécifiques favorisant le transfert thermique; des moyens de chauffage de type par induction. Le système inductif peut être intégré ou indépendant du moule, suivant la complexité de la pièce composite; - des moyens pour assurer une bonne mise en oeuvre du composite, le tissu de délaminage, le film séparateur, le feutre d'absorption et le feutre de drainage, dans l'ordre de disposition par rapport au pré imprégné ; - des moyens pour placer le système sous vide sous forme d'un sac à vide couplé à une pompe à vide, via un ou des tuyaux de pompage; - des moyens pour refroidir le dispositif, de la forme d'un jet d'air de type ventilation.

Selon une autre caractéristique, d'après le brevet W00014324, il est possible de concevoir un moule en résine organique approprié au niveau de chauffage, suivant lequel on aura réalisé un dépôt de surface en matériau ferromagnétique.

Selon une autre caractéristique, l'outil de moulage peut contenir des 20 particules ou des fibres de matériaux métalliques ferromagnétiques inclus dans la matière.

Selon encore une autre caractéristique, des particules et/ou des fibres de matériaux métalliques ferromagnétiques peuvent être incorporées directement dans la matrice organique du composite. Ces ajouts peuvent également apportés un renfort supplémentaire qui participera aux caractéristiques structurelles finales de la pièce composite.

Selon une autre caractéristique, on peut disposer d'un système de chauffage par rayonnement qui est produit par une source lumineuse pouvant atteindre 2000 Watts par lampe. La combinaison de plusieurs lampes en parallèles, placé au dessus du dispositif peut alors suffire à fournir l'énergie nécessaire pour atteindre la température de fusion de la matrice. De même, on peut adapter un serpentin résistif, à fluide calorifique et/ou autres, situés dans l'outil de moulage, combiné ou pas aux autres moyens de chauffage.

Selon une autre caractéristique, la membrane nécessaire à la mise sous vide peut être souple, en silicone, en nylon et/ou autres, ou semi rigide comme par exemple, l'utilisation d'un composite à matrice époxyde, et/ou autres.

Selon encore une autre caractéristique, le dispositif comprend un dispositif de refroidissement du matériau composite, notamment par exposition ou circulation d'air ou d'un fluide de refroidissement placé dans ou en dehors de l'outil de moulage, et/ou par contact avec des organes aux surfaces froides ou refroidies, permettant de figer la matière thermoplastique et de solidariser les tissus de pré imprégnés entre eux et de former ainsi la pièce composite définitive.

Selon une autre caractéristique, on peut utiliser d'autres fibres naturelles d'origine végétale comme le lin, le coton, le chanvre comme des fibres artificielles, fibres de carbone ou aramides et/ou des fibres synthétiques, fibres de verre sans changer le procédé qui vient d'être décrit.

Selon une autre caractéristiques, les résines sont choisies en fonction des pièces à réaliser parmi l'ensemble des familles thermoplastiques et/ou des thermodurcissables avec des gel-coats de finition lorsque cela est nécessaire.

D'autres avantages et caractéristiques vont à présent être décrits en regard 25 des dessins sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique générale du dispositif de mise e.n Les figures 2 et 3 sont des vues de coupe d'une partie du dispositif avec une description plus précise des composants de l'invention sur la figure 3.

Le dispositif visible sur la figure 1 permet la fabrication d'une pièce composite plane, conforme à l'invention, qui est réalisée à partir de tissus renforcés par des fibres naturelles et/ou synthétiques pré imprégnés de thermoplastique.

Le dispositif de mise en oeuvre de la figure 1 comprend, sous sa forme complète, un outil de moulage 20 chauffé par un système à induction 10, une pompe à vide 60, les tissus de pré imprégnés de thermoplastiques renforcés par des fibres naturelles et/ou synthétiques 30, les différents consommables 40 et le système de refroidissement 50.

L'outil de moulage 20, est ici plan mais pourra être de formes diverses suivant la forme elle-même de la pièce et d'une épaisseur et d'une dimension variable 15 suivant sa dénomination.

L'élément d'induction 10, d'une puissance de 3000 Watts, placé sous l'outil d,e moulage sur les figures 2 et 3 sert à chauffer l'outil de moulage de manière très rapide et avec un rendement optimal par rapport aux autres systèmes existants qui pourront néanmoins être employés comme substitutif. On chauffe, par exemple, 5 plis de pré imprégnés en polypropylène renforcés de fibres de verre (Twintex ) à 200 C en moins de 2 minutes.

La pompe à vide 60, reliée par l'intermédiaire d'un flexible sur le dispositif, obtient un vide primaire d'environ 0.5 bars. Il pourra être plus poussé suivant la compression désirée sur la pièce définitive.

Les consommables 40 employés peuvent être de natures différentes suivant le pré imprégné mise en oeuvre, notamment la température de chauffage. Toutefois, on utilisera principalement, dans l'ordre de dépôt sur le pré imprégné et d'après la composite et laissant fluer l'excédent de résine à travers des micro trous. Ce film permet aussi d'effectuer une interface entre le pré imprégné et le feutre drainant 42. Celui-ci a pour rôle d'absorber l'excédent de résine qui flue lors du chauffage et qui par l'action du vide migre vers le haut. Le feutre garantit l'homogénéité de la mise sous vide.

La pose de ces deux consommables peut être complétée par l'ajout d'un troisième, le tissu de délaminage, pour augmenter la rugosité de la surface de la pièce composite afin d'obtenir une meilleure adhésion lors d'un éventuel collage subvenant par la suite.

La membrane à vide 43 referme donc l'ensemble de ces derniers éléments, notamment par l'application sur le contour d'un mastique d'étanchéité 44. Elle est fabriquée dans un matériau élastique afin de pouvoir épouser la forme de l'outil de moulage lorsque le vide est appliqué.

Le système de refroidissement 40 par jet d'air par dessus et/ou par dessous et/ou dans l'outil de moulage permet en un faible temps de figer la matière thermoplastique et de solidariser les tissus de pré imprégnés entre eux et de former ainsi la pièce composite définitive.

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Claims (9)

Revendications

1. Procédé de mise en oeuvre de pièces composites en pré imprégnés de matières organiques renforcées par des fibres naturelles et/ou synthétiques, obtenus par moulage sous vide répondant aux normes européennes en matière de Composés Organiques Volatils caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - On chauffe le pré imprégné jusqu'à la température de fusion du thermoplastique, On comprime par la mise sous vide, - On refroidit le dispositif complet.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renfort est à base de fibres naturelles de lin.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est une matrice naturelle de type amidon.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est une 20 matrice thermodurcissable de type époxydes.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé par induction.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est réalisé par un système à conduite d'eau intégré au moule.

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7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane sous vide est souple ou semi-rigide.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moule est en alliage 5 métallique ou en résine.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique une peinture gel-coat sur le moule avant la dépose des tissus pré imprégnés.