DE MISE EN ŒUVRE.

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux, tel qu'un tissu, feutre, non tissé pouvant se présenter sous forme de bandes, nappes, tresses, mèches ou morceaux, à base de fibres de renfort et de polymère organique à savoir de polymère thermoplastique ou thermodurcissable et un appareil de mise en oeuvre.

Les fibres pouvant entrer dans la composition du matériau sont plus spécialement des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres à base de polymères, des fibres végétales, utilisées seules ou en mélange.

On s'intéresse dans la présente invention à des matériaux composites légers permettant la fabrication de pièces mécaniques ayant une structure à 3 dimensions et possédant des propriétés de bonne résistance mécanique, thermique et capables d'évacuer des charges électrostatiques, c'est-à-dire des propriétés compatibles avec la fabrication de pièces dans le domaine de la mécanique, de l'aéronautique et nautique.

Etat de la technique

II est connu d'utiliser des tissus réfractaires pré-imprégnés d'une résine pour réaliser une matrice thermiquement isolante afin d'assurer la protection thermique de dispositifs mécaniques soumis à de fortes températures comme cela peut être le cas dans le domaine de l'aéronautique ou de l'automobile. On pourra se reporter au brevet européen n°0 398 787 qui décrit une couche de protection thermique comprenant un tissu réfractaire, destinée à protéger la virole d'une chambre de moteur statoréacteur. Outre la complexité de réalisation de cette couche de protection thermique, le tissu réfractaire noyé dans cette couche ne remplit que la fonction de bouclier thermique.

On a également recours depuis quelques années à des fibres composites pour fabriquer, notamment, diverses pièces aéronautiques ou automobiles. Ces fibres composites qui se caractérisent par de bonnes résistances thermomécaniques et chimiques, sont constituées d'un renfort filamentaire formant armature, destinée à répartir les efforts de résistance à la traction, à la flexion ou à la compression, à conférer dans certains cas une protection chimique au matériau et à lui donner sa forme.

On peut par exemple se reporter à la demande de brevet FR 2 918 081 qui décrit un procédé d'imprégnation de fibres continues par une matrice polymérique composite renfermant un polymère thermoplastique. Les procédés de fabrication de pièces composites à partir de ces fibres enrobées comprennent diverses techniques telles que, par exemple, le moulage au contact, le moulage par projection, le drapage autoclavé ou le moulage basse pression.

Une technique pour réaliser des pièces creuses est celle dite de l'enroulement filamentaire, qui consiste à imprégner des fibres sèches d'une résine puis à les enrouler sur un mandrin formé d'armatures et de forme adaptée à la pièce à fabriquer. La pièce obtenue par enroulement est ensuite durcie par chauffage. Une autre technique, destinée à réaliser des plaques ou des coques, consiste à imprégner des tissus de fibres puis à les presser dans un moule afin de consolider le composite stratifié obtenu.

Pour la fabrication de matériau polymérique à renfort fibreux, on utilise généralement une étape d'ensimage, qui consiste à déposer un film de polymère thermoplastique sur des fibres. Ainsi le procédé de fabrication de matériau pre- imprégné décrit dans le document US 4, 541 ,884 comprend, comme étape d'enduction des fibres, le passage en continu de fibres dans un bain fondu de polymère thermoplastique contenant un solvant organique tel que la benzophénone ; ce solvant permettant d'adapter la viscosité du mélange fondu et d'assurer une bonne enduction des fibres. Les fibres pré-imprégnées de polymères sont ensuite mises en forme (par exemple découpées en bandes puis disposées sous une presse, pour la réalisation des pièces de structure, puis chauffées à une température supérieure à la température de fusion du polymère pour assurer la cohésion du matériau et notamment l'adhérence du polymère sur les fibres.

Selon la nature chimique du polymère, les températures de chauffe peuvent monter à des températures supérieures à 250 °C, et même supérieure à 320°C, températures très supérieures à la température d'ébullition du solvant, entraînant un départ brusque du solvant, provoquant des défauts dans la pièce et donc un manque de reproductibilité du procédé ainsi que des risques d'explosion mettant en danger les opérateurs.

Un autre procédé connu d'ensimage de fibre est le passage en continue des fibres dans une dispersion aqueuse de poudre polymérique puis le séchage des fibres pour évaporer l'eau dans un four, suivi d'un traitement thermique destiné à la fusion du polymère. Ce traitement thermique peut être fait dans une filière de mise en forme, notamment pour faire des bandes de matériau pré-imprégné. Ces bandes sont ensuite utilisées pour la fabrication des pièces de structure, par disposition dans un moule, une presse, etc. Ce procédé nécessitant 2 zones de chauffage distinctes ou l'utilisation de 2 fours distincts est complexe et de mise en œuvre délicate.

Comme autre état de la technique relatif à la fabrication d'un matériau fibreux, on peut se référer encore au document EP 0406 067 déposé aux noms conjoints d'Atochem et de l'Etat français. Comme état de la technique relatif à la mise en place des fibres pour la formation de matériau fibreux et la constitution de structures à base de ce matériau fibreux on pourra se reporter aux brevets US 6 607 626 ; US 6 939 424 et US 7 235 149.

On pourra également se reporter à l'état de la technique le plus proche constitué par le document WO2008/061 170. Ce document décrit un procédé de réalisation d'une structure de fibres orientées de façon unidirectionnelle dans lequel les fibres utilisées peuvent être de même type ou des assemblages de fibres. Cependant, le procédé consiste à agencer les fibres unidirectionnellement, à enrober ou imprégner cet agencement de fibres en les passant dans un bain d'un liquide visqueux comprenant par exemple une résine thermoplastique dont la viscosité est le paramètre le plus important, puis à étaler le liquide visqueux uniformément, à retirer l'excès, et enfin à sécher. Ainsi, la structure de fibres est obtenue par une imprégnation d'un agencement de fibres en passant ces fibres dans un bain d'un liquide visqueux puis en séchant. Les fibres de l'agencement sont ainsi collées les unes aux autres et forment la structure désirée.

Le problème qu'entend résoudre la présente invention est d'éviter le passage dans un bain solvanté de polymère fondu comme décrit dans le document WO 2008/061 170, ou le passage dans une dispersion aqueuse de polymère, car ces méthodes de l'art antérieur peuvent générer des imperfections dans le matériau préimprégné. En effet, l'imprégnation des fibres minérales se fait selon l'invention, directement par fusion des fibres de polymères qui ont été mises en contact.

Résumé de l'invention

L'invention a pour objet un nouveau procédé de fabrication « en ligne » et en continu de matériau fibreux, permettant de remédier aux inconvénients ci-dessus.

Le procédé proposé permet en outre d'obtenir un matériau fibreux homogène. Il ne peut pas y avoir d'irrégularités dans la structure ou de nœud susceptibles de fragiliser le matériau avec des risques de rupture comme c'est le cas avec les procédés de l'art antérieur.

De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné de polymère organique consistant à i) utiliser au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres comprenant des fibres de renfort et une seconde série de fibres comprenant des fibres polymère organique ayant une température de fusion Tf, ii) disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis iii) chauffer l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres organiques et à laisser refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante.

Le procédé divulgué par le document WO2008/061 170, ne décrit pas et ne suggère pas l'utilisation de deux séries de fibres différentes, dont une première est constituée de fibres de renfort, et dont une seconde est constituée de polymère organique à savoir de polymère thermoplastique ou thermodurcissable, et le chauffage de l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres organiques comme c'est le cas dans la présente invention.

Avantageusement, on réalise un préchauffage durant la mise en contact des deux séries de fibres, à une température inférieure à la température de fusion Tf, de préférence à une température inférieure ou égale à la température de transition vitreuse Tv des fibres de polymère organiques, de manière à monter les deux séries de fibres en température pour atténuer ou supprimer la différence de température provoquée par une inertie thermique distincte pour les deux séries de fibres. Cela permet ainsi, d'améliorer le contact et par conséquent l'imprégnation des fibres de la première série par les fibres de la seconde série, lors de la fusion des fibres polymère.

Lorsque les deux séries de fibres sont chauffées à la température de fusion Tf, elles sont également mises en forme pour obtenir un matériau homogène de forme et de dimensions calibrées.

La mise en place des deux séries de fibres et la mise en forme du matériau imprégné de fibres organiques fondues (fibres de la deuxième série), sont réalisées avantageusement par un système comprenant la mise en œuvre d'opérations de calandrage.

On réalise de préférence plusieurs opérations de calandrage successives pour affiner la mise en forme du matériau et obtenir un matériau homogène sans défaut c'est-à-dire sans granulosité et sans bulle d'air.

Les fibres de renfort constituant la première série, peuvent être des fibres minérales ou des fibres organiques de polymère thermoplastique ou thermodurcissable ou bien encore, des fibres minérales et des fibres organiques de polymère thermoplastique ou thermodurcissable.

Les fibres organiques constituant les fibres de la deuxième série sont en polymère thermoplastique ou thermodurcissable.

Dans tous les cas, c'est-à-dire quelque soit la composition des fibres de la première ou de la deuxième série, la température de fusion Tf des fibres de la deuxième série est toujours inférieure à la température de fusion des fibres de la première série de sorte que l'étape de chauffage provoque la fusion des fibres de la deuxième série, ces dernières imprégnant alors les fibres de la première série constituant des fibres de renfort du matériau fibreux ainsi obtenu.

Les polymères entrant dans la constitution des fibres thermodurcissables sont choisis parmi : les polyesters insaturés, les résines époxy, les esters vinyliques, les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates et les polyimides, tels que les résines bis-maléimide, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges.

Par polymères thermodurcissables ou encore « résines thermodurcissables », on entend un matériau généralement liquide à température ambiante, ou à bas point de fusion, qui est susceptible d'être durci, généralement en présence d'un durcisseur, sous l'effet de la chaleur, d'un catalyseur, ou d'une combinaison des deux, pour obtenir une résine thermodurcie Celle-ci est constituée d'un matériau renfermant des chaînes polymères de longueur variable liées entre elles par des liaisons covalentes, de manière à former un réseau tridimensionnel . Sur le plan de ses propriétés, cette résine thermodurcie est infusible et insoluble. Elle peut être ramollie en la chauffant au-dessus de sa température de transition vitreuse (Tg) mais, une fois qu'une forme lui a été conférée, elle ne peut être remise en forme ultérieurement par chauffage.

Les polymères (ou résines) thermodurcissables entrant dans la constitution des fibres thermodurcissables selon l'invention sont choisis parmi : les polyesters insaturés, les résines époxy, les esters vinyliques, les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates et les polyimides, tels que les résines bis-maléimide, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges.

Les polyesters insaturés résultent de la polymérisation par condensation d'acides dicarboxyliques renfermant un composé insaturé (tel que l'anhydride maléique ou l'acide fumarique) et de glycols tels que le propylène glycol. Ils sont généralement durcis par dilution dans un monomère réactif, tel que le styrène, puis réaction de ce dernier avec les insaturations présentes sur ces polyesters, généralement à l'aide de peroxydes ou d'un catalyseur, en présence de sels de métaux lourds ou d'une aminé, ou encore à l'aide d'un photo-initateur, d'un rayonnement ionisant, ou d'une combinaison de ces différentes techniques.

Les esters vinyliques comprennent les produits de la réaction d'époxydes avec l'acide (méth)acrylique. Ils peuvent être durcis après dissolution dans le styrène (de façon similaire aux résines polyesters) ou à l'aide de peroxydes organiques.

Les résines époxy sont constituées de matériaux contenant un ou plusieurs groupes oxiranes, par exemple de 2 à 4 fonctions oxirane par molécule. Dans le cas où elles sont polyfonctionnelles, ces résines peuvent être constituées de polymères linéaires porteurs de groupes époxy terminaux, ou dont le squelette comprend des groupes époxy, ou encore dont le squelette porte des groupes époxy pendants. Elles nécessitent généralement comme agent durcisseur un anhydride d'acide ou une aminé.

Ces résines époxy peuvent résulter de la réaction de l'épichlorhydrine sur un bisphénol tel que le bisphénol A. Il peut en variante s'agir d'alkyl- et/ou alkénylglycidyl éthers ou esters; de polyglycidyl éthers de mono- et polyphénols éventuellement substitués, notamment de polyglycidyl éthers de bisphénol A ; de polyglycidyl éthers de polyols; de polyglycidyl éthers d'acides polycarboxyliques aliphatiques ou aromatiques ; de polyglycidyl esters d'acides polycarboxyliques ; de polyglycidyl éthers de novolac En variante encore, il peut s'agir de produits de la réaction de l'épichlorhydrine sur des aminés aromatiques ou de dérivés glycidyle de mono- ou diamines aromatiques. On peut également utiliser dans la présente invention des époxydes cycloaliphatiques et de préférence les diglycidyl éthers de bisphénol A (ou DGEBA), F ou A/F

Parmi les durcisseurs ou réticulants, on peut utiliser des produits de type di- aminé ou tri-amine fonctionnelle utilisés à des teneurs allant de 1 à 5 %.

Pour les températures de chauffage des fibres thermodurcissables, on parle de températures de fusion ou de ramollissement, elles sont de l'ordre de 50°C à 80°C, typiquement 60°C.

Après rajout d'un durcisseur (ou réticulant), la température de fusion ou de ramollissement est amenée alors entre 100°C et 150°C, typiquement 120°C.

Le chauffage à la température de fusion Tf est associé à une mise en forme de l'ensemble des deux séries de fibres, les fibres en polymère thermodurcissable pourront être mises en forme dans un appareil normalement utilisé pour un polymère thermoplastique tel qu'une extrudeuse bi-vis ou un co-mélangeur.

Selon l'invention, le chauffage des deux séries de fibres de renfort (minérales et/ou organiques) et de polymère organique peut être réalisé par un chauffage laser ou une torche à plasma, à azote ou un four à infra rouge ou encore micro-ondes ou à induction.

De façon préférée l'étape iii) de chauffage sera réalisée par induction ou micro- ondes en présence de fibres conductrices électriquement dans l'assemblage ou de charges conductrices électriquement dans le matériau pré-imprégné. Les propriétés de conductivité du matériau pré-imprégné sont intéressantes en association avec un chauffage par induction ou par micro-ondes car alors la conductivité électrique est mise en œuvre et contribue à l'obtention d'une cuisson à cœur et à une meilleure homogénéité du matériau fibreux. La conduction thermique des fibres de l'assemblage ou des charges présentes dans le matériau fibreux pré-imprégné contribue également avec ce type de chauffage à une cuisson à cœur améliorant l'homogénéité du matériau.

Les charges utilisées sont par exemple de la poudre de métal, du noir de carbone pulvérulent, des fibrilles de carbone, des nanotubes de carbone, ou comme des nanotubes de carbure de silicium, de carbonitrure de bore, de nitrure de bore ou de silicium. De préférence, les charges utilisées sont conductrices de l'électricité et/ou de la chaleur comme les nanotubes de carbone, les fibrilles de carbone ou encore le noir de carbone.

De préférence, on utilise des nanotubes de carbone. On rappelle que par nanotubes de carbone NTC, on entend un ou plusieurs tubes creux à une ou plusieurs parois de plan graphitique ou feuillets de graphène, coaxiaux, ou feuillet de graphène enroulé sur lui-même. Ce ou ces tubes, le plus souvent « débouchant » (c'est-à-dire ouverts à une extrémité) ressemblent à plusieurs tubes de grillages disposés coaxialement ; en coupe transversale les NTC se présentent sous forme d'anneaux concentriques. Le diamètre externe des NTC est de 2 à 50nm. On parle de nanotubes de carbone monofeuillet, (en anglais : Single-walled Carbon Nanotubes, SWNT) ou de nanotubes de carbone multifeuillets, (en anglais Multi-walled Carbon Nanotubes, MWNT).

Ainsi, le chauffage par micro-onde ou par induction est particulièrement bien adapté en présence de charges telles que des nanotubes de carbone NTC dans le matériau pré-imprégné car on obtient alors une meilleure dispersion/répartition des NTC au sein du matériau, conduisant à une meilleure homogénéité des propriétés physico-chimiques, et par conséquent de meilleures propriétés au global sur le produit final.

Bien entendu, lorsque le chauffage est réalisé par induction, on utilise un matériau conducteur. En l'absence de fibres conductrices dans l'assemblage ou de charges conductrices dans le matériau fibreux pré-imprégné, ce matériau peut être en contact avec l'assemblage de fibres comme par exemple le support des fibres sur lequel elles sont posées pour la cuisson.

Pour l'introduction de charges conductrices, on procède de la façon suivante :

- on dispose sur l'assemblage des deux séries de fibres, juste avant l'étape iii) de chauffage, des charges minérales sous forme de poudre, conductrices comme de la poudre de métal, du noir de carbone pulvérulent, des fibrilles de carbone, des nanotubes de carbone, ou comme des nanotubes de carbure de silicium, de carbonitrure de bore, de nitrure de bore ou de silicium.

Lorsque l'assemblage des deux séries de fibres comporte des fibres thermodurcissables, on disposera sur cet assemblage, de la poudre de nanotubes de carbone, avant d'introduire un durcisseur.

Un chauffage par induction ou par micro-ondes est préférable, notamment en présence de fibres conductrices électriquement dans l'assemblage ou en présence de charges conductrices électriquement dans le matériau pré-imprégné pour favoriser le chauffage à cœur.

Le saupoudrage des charges peut être assuré à l'aide d'un support vibrant, afin d'assurer une répartition homogène sur les fibres. On dépose par exemple, la poudre de NTC directement sur le matériau fibreux, placé à plat sur un support vibrant, afin de permettre la répartition de la poudre sur les fibres.

Avant la dispersion des charges sur les deux séries de fibres, ces charges peuvent être soumises à un traitement chimique afin de leur apporter des fonctions par exemple polaires en vue d'améliorer leur adhérence sur les fibres polymériques ou encore soumises à un traitement thermique, par exemple supérieur à 900°C et mieux à 1000°C afin d'éliminer des impuretés métalliques dues à leur procédé de synthèse.

Avantageusement, les charges sont ni traitées chimiquement ni thermiquement.

Dans le cas des fibres thermoplastiques, ces fibres peuvent être constituées d'un seul type de polymère ou de plusieurs polymères ; dans le cas de plusieurs polymères, la température de fusion Tf ci-dessus est celle du polymère de température de fusion la plus élevée.

Les polymères thermoplastiques entrant dans la constitution des fibres de la seconde série de fibres peuvent être choisis, sans limitation, parmi :

- les polyéthylènimines (PEI),

- les polyimides (PI),

- les polyoléfines telles que le polyéthylène notamment haute densité, le polypropylène et les copolymères d'éthylène et/ou de polypropylène ;

- les polyuréthanes thermoplastiques (TPU) ;

- les polyesters tels que les polyhydroxyalcanoates ;

- les polytéréphtalates d'éthylène (PET) ou de butylène (PBT) ;

- les polyphenylenes sulfide (PPS) ;

- les polychlorures de vinyle ;

- les polymères siliconés ou fluorosiliconés ;

- les poly(alcool de vinyle) ;

- les polyaryléther cétones (PAEK PolyArylEtherKetone) telle que la polyétheréther cétone (PEEK) et la polyéthercétone cétone (PEKK) ;

- les polyamides tels que polyamide tel que le polyamide 6 (PA-6), le polyamide 1 1 (PA-1 1 ), le polyamide 12 (PA-12), le polyamide 6.6 (PA-6.6), le polyamide 4.6 (PA- 4.6), le polyamide 6.10 (PA-6.10), le polyamide 6.12 (PA-6.12), les polyamides aromatiques, en particulier les polyphtalamides et l'aramide, et les copolymères blocs, notamment polyamide/polyéther ;

- les polymères fluorés comprenant au moins un monomère de formule (I) :

CFX=CHX' (I)

où X et X' désignent indépendamment un atome d'hydrogène ou d'halogène

(en particulier de fluor ou de chlore) ou un radical alkyle perhalogéné (en particulier perfluoré), et de préférence X=F et X -H, tels que le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), de préférence sous forme a, les copolymères de fluorure de vinylidène avec par exemple l'hexafluoropropylène (HFP), les copolymères fluoroéthylène / propylène (FEP), les copolymères d'éthylène avec soit le fluoroéthylène/propylène (FEP), soit le tétrafluoroéthylène (TFE), soit le perfluorométhylvinyl éther (PMVE), soit le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), certains de ces polymères étant notamment commercialisés par la société ARKEMA sous la dénomination Kynar® ;

- les polymères (ou résines) phénoxy, et

- leurs mélanges.

Les polymères (ou résines) phénoxy sont des polyhydroxyéthers terminés par des groupe alpha-glycols. Elles résultent de la réaction entre le bisphénol A et l'épichlorhydrine ; leur masse moléculaire moyenne en masse est de 25 000 à 60 000. Elles sont compatibles avec les résines thermodurcissables du type résine epoxy.

Pour les polymères fluorés, on préfère utiliser un homopolymère du fluorure de vinylidène (VDF de formule CH ₂ =CF ₂ ) ou copolymère du VDF comprenant en poids au moins 50% en masse de VDF et au moins un autre monomère copolymérisable avec le VDF. La teneur en VDF doit être supérieure à 80% en masse, voire mieux 90% en masse, pour assurer une bonne résistance mécanique à la pièce de structure, surtout lorsqu'elle est soumise à des contraintes thermiques. Le comonomère peut être un monomère fluoré choisi par exemple parmi le fluorure de vinyle; le trifluoroéthylène (VF3); le chlorotrifluoroéthylène (CTFE); le 1 ,2-difluoroéthylène; le tétrafluoroéthylène (TFE); l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l'hexafluoropropylène (HFP); les perfluoro(alkyl vinyl) éthers tels que le perfluoro(méthyl vinyl)éther (PMVE), le perfluoro(éthyl vinyl) éther (PEVE) et le perfluoro(propyl vinyl) éther (PPVE); le perfluoro(1 ,3-dioxole); le perfluoro(2,2-diméthyl-1 ,3-dioxole) (PDD). De préférence, le comonomère éventuel est choisi parmi le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), l'hexafluoropropylène (HFP), le trifluoroéthylène (VF3) et le tétrafluoroéthylène (TFE). Le comonomère peut aussi être une oléfine telle que l'éthylène ou le propylène. Le comonomère préféré est l'HFP.

Pour des pièces de structure devant résister à des températures élevées, outre les polymères fluorés, on utilise avantageusement selon l'invention les PAEK (PolyArylEtherKetone) tels que PEK, PEEK, PEKK, PEKEKK etc.

Par rapport aux procédés de l'art antérieur, le procédé selon la présente invention, est parfaitement bien adapté à des polymères présentant des températures de fusion élevées, par exemple supérieurs à 130°C comme les polymères fluorés, les PAEK, les polyéthylènes haute densité, ou encore le PET ou PBT.

On peut aussi utiliser des fibres de Kevlar ou des fibres d'aramide.

Les fibres minérales auxquelles s'applique l'invention sont notamment les fibres de carbone, de verre, de bore, de silice, les fibres naturelles comme le lin, la soie notamment d'araignée, le chanvre, le sisal . Ces fibres peuvent être utilisées pures, traitées ou bien enduites d'une couche d'induction, en vue de faciliter l'adhérence/imprégnation des fibres de polymère thermoplastique de la deuxième série ou leur manipulation avant imprégnation par fusion de ce polymère.

Des fibres organiques peuvent être mélangées aux fibres minérales pour former la première série de fibres qui est destinée à être imprégnée de polymère après la fonte des fibres de polymère thermoplastique ou thermodurcissable de la seconde série. Dans ce cas on choisira bien sûr des fibres organiques c'est-à-dire des fibres de polymère dont la température de fusion est supérieure à la température de fusion Tf des fibres de la seconde série que l'on fond. Ainsi, il n'y a aucun risque de fusion pour les fibres organiques présentes dans la première série de fibres.

Le matériau fibreux réalisé avec le procédé est obtenu avantageusement avec

50% de fibres minérales et 50% de fibres de polymère organique thermoplastique ou thermodurcissable, de préférence avec 30% de fibres minérales et 70% de fibres de polymère organique thermoplastique ou thermodurcissable.

L'invention concerne également l'utilisation de matériau fibreux tels que décrits pour la fabrication de pièces mécaniques en 3D, notamment les ailes d'avion, le fuselage d'un avion, la coque d'un bateau, les longerons ou spoilers d'une automobile, ou des disques de freins, ou encore le corps de vérin ou de volants de direction.

Le procédé selon l'invention est mise en œuvre par un appareil qui comprend un dispositif de mise en place des fibres de manière à disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre et un dispositif de chauffage des deux séries de fibres réalisé par un laser ou une torche à plasma, à azote ou un four à infra rouge ou encore micro-ondes ou induction.

Le dispositif de chauffage par induction est obtenu par exposition des fibres de l'assemblage à un champ électromagnétique alternatif au moyen d'une unité hautes fréquences de 650 KHz à 1 MHz par exemple.

Le dispositif de chauffage par micro-ondes est obtenu par exposition des fibres de l'assemblage à un champ électromagnétique hyperfréquence au moyen d'un générateur hyperfréquence de 2 à 3 GHz par exemple.

L'appareil de mise en oeuvre peut comporter un dispositif de calandrage. Il peut également être prévu que le chauffage soit réalisé par le dispositif de calandrage.

L'appareil de mise en œuvre du procédé permet avantageusement de mettre en forme les deux séries de fibres, par exemple, sous forme de bande ou de nappe, ou ruban que l'on découpe selon la longueur voulue.

De préférence, l'appareil de mise en œuvre du procédé, comprend une ligne de formation continue dudit matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène en fibres de renfort par exemple minérales, imprégnées de polymère organique par exemple thermoplastique ou thermodurcissable. La ligne de formation continue comporte un dispositif de mise en place des deux séries de fibres muni d'un premier dispositif de calandrage. Le dispositif de mise en place comporte en outre un dispositif de préchauffage pour atténuer ou diminuer les différences de température provoquées par l'inertie de fibres de nature différente lors de la chauffe à la température de fusion Tf

L'appareil de mise en place peut également assurer la mise en forme du matériau. Cependant la ligne de formation continue comporte à cette fin, un dispositif de mise en forme mettant en œuvre au moins une opération de calandrage au moyen d'un deuxième dispositif de calandrage et, de préférence au moins deux opérations de calandrages successives pour obtenir un matériau fibreux imprégné calibré de façon désirée et homogène, c'est-à-dire sans défaut et sans bulle d'air. Pour cela, un troisième dispositif de calandrage peut être placé en sortie du deuxième dispositif de calandrage.

L'appareil de mise en forme comporte un dispositif de chauffage permettant de chauffer les deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf.

Pour opérer la mise en forme en bande calibrée et continue, chaque dispositif de calandrage est notamment muni de deux cylindres dont l'un possède un anneau élément mâle, l'autre une gorge élément femelle à fond plat de largeur déterminée de sorte que les fibres sortant du dispositif de préchauffage, sont mises en forme dans la gorge par pression de l'élément mâle pendant leur passage sur le cylindre muni de l'élément femelle.

Bien entendu pour assurer la mise en forme et un bon fonctionnement de la ligne de formation, chaque dispositif de calandrage comprend un moteur d'entraînement synchrone des deux cylindres et un dispositif de chauffage des cylindres.

Pour obtenir la température de fusion Tf des fibres polymère, le dispositif de mise en forme comprend un dispositif de chauffage placé entre le premier et le deuxième dispositif de calandrage.

Le dispositif de mise en place des fibres comporte également en entrée de ligne, un poste de déroulement continu des deux séries de fibres suivi du dispositif de préchauffage.

A cette fin, le poste de déroulement des fibres est avantageusement muni de bobines à axe de déroulement horizontal.

Lorsque la température de fusion Tf est élevée de préférence lorsqu'elle est supérieure à 200°C, comme c'est le cas par exemple pour des fibres PAEK ou PEEK, il est prévu d'insérer dans la ligne de formation continue, en sortie du dispositif de mise en forme, un dispositif de refroidissement.

Pour permettre un conditionnement aisé de la bande de matériau fibreux obtenue, la ligne de formation continue comprend avantageusement un dispositif d'enroulement en sortie du dispositif de refroidissement. Le dispositif de préchauffage ou de chauffage sont avantageusement réalisés par des unités de chauffage micro-ondes ou par induction notamment en présence de charges conductrices pour favoriser le chauffage à cœur des fibres.

Il peut être également prévu que le dispositif de chauffage et le dispositif de préchauffage soient chacun constitué de deux demi-fours à ouverture horizontale à lampes à infra rouge et à température réglable. Au moins un des demi-fours comporte une gorge à fond plat, calibrée sur laquelle reposent les fibres côte à côte des deux séries de fibres.

L'ensemble de tous les éléments à commande électrique ou électronique est avantageusement piloté et synchronisé par un poste de commande de type ordinateur.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles :

- la figure 1 représente le schéma d'un premier appareil de mise en œuvre du procédé selon l'invention,

- la figure 2 représente le schéma d'un deuxième appareil de mise en œuvre du procédé selon l'invention,

- la figure 3 représente le schéma en coupe transversale AA d'un support 50 recouvert de fibres selon le procédé,

- la figure 4 représente le schéma en coupe transversale BB du support 50 après fonte des fibres polymère thermoplastique selon le procédé,

- la figure 5 représente le schéma d'un troisième appareil de mise en œuvre du procédé.

- la figure 6 représente le schéma d'un troisième appareil de mise en œuvre du procédé selon l'invention.

- la figure 7 représente le schéma d'un demi-four avec la gorge de mise en place des fibres.

- La figure 8 représente le schéma des cylindres de calandrage avec les éléments complémentaires de calibrage et mise en forme du matériau en forme de bande.

Les fibres de renfort constituant la première série de fibres peuvent être des fibres minérales ou des fibres thermoplastiques ou des fibres thermodurcissables ou des fibres minérales avec des fibres thermoplastiques ou avec des fibres thermodurcissables.

Les fibres de la deuxième série destinées à être fondues pour constituer le matériau fibreux pré-imprégné sont des fibres organiques en polymère thermoplastique ou thermodurcissable. Quelque soit l'assemblage réalisé, la température de fusion de la deuxième série de fibres est plus basse que celle de la première série de sorte que les étapes de préchauffage ou du chauffage ne modifient pas la structure des fibres de la première série et que les fibres de la deuxième série fondent.

Par exemple, des fibres en résines thermodurcissables peuvent constituer la deuxième série de fibres (polymères époxy (sans réticulant) à une température de fusion de 60°C) alors que la première série pourraient être des fibres thermoplastiques de température de fusion plus élevée (exemple un homopolyamide à une température de fusion de l'ordre de 90°C ou un polyvinylidène (PVDF) de température de fusion de l'ordre de 130°C. La première série pourraient aussi être des fibres minérales en verre, silice, carbone, carbure de silicium ou encore métallique.

On peut aussi prévoir l'utilisation de deux séries de fibres en polymère thermodurcissable avec des températures de fusion différentes.

Les appareils représentés sur les figures 1 , 2 et 5 permettent une mise en œuvre du procédé de fabrication « en ligne » et en continu proposé selon l'invention pour la fabrication de matériau fibreux pré-imprégné de polymère thermoplastique ou thermodurcissable.

Chaque appareil comporte un dispositif 100 de mise en place des deux séries de fibres à savoir la première série de fibres 1 qui comporte par exemple des fibres minérales et la seconde série de fibres 2 qui comporte par exemple des fibres de polymère thermoplastique ayant leur température de fusion égale à Tf.

Ces dispositifs portent la même référence 100 sur les figures 1 , 2 et 5 et assurent la même fonction à savoir disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre.

Chaque dispositif comporte également un dispositif de chauffage 1 10 et éventuellement un dispositif de calandrage 1 15 comme c'est le cas pour les dispositifs des figures 1 et 5. Il peut être prévu que le dispositif de calandrage assure la fonction de chauffage de deux séries de fibres.

Dans l'exemple de l'appareil représenté sur la figure 1 , le dispositif 100, de mise en place des fibres comporte deux voies superposées. Les deux séries de fibres sont amenées par les deux voies superposées vers une même direction, ces deux voies se rapprochant jusqu'à ce que les deux séries de fibres s'intercalent pour former un plan homogène imposé par le calibre des fibres, les fibres ayant des dimensions constantes. Le plan homogène se présente sous la forme d'une bande acheminée de manière à passer devant le dispositif de chauffage 1 10. Ce dispositif de chauffage permet en quelques secondes d'atteindre la température de fusion désirée Tf de sorte que les fibres de polymère thermoplastique ayant une température de fusion inférieure ou égale à Tf, fondent. Le polymère fondu adhère aux fibres de la première série (comportant dans l'exemple des fibres minérales). Après passage à température ambiante, la bande de matériau fibreux 10 ainsi réalisée peut être exploitée selon les besoins, par exemple, être découpée par un dispositif de découpe 200 pour entrer dans la fabrication de pièces mécaniques.

Sur la figure 2 on a représenté un dispositif adapté à la mise en place des deux séries de fibres sur un support 50 servant de moule pour former la structure d'une pièce 3D en matériau fibreux.

Dans cet exemple, le dispositif de mise en place des fibres est constitué de deux bras 102 et 103 disposés au-dessus d'un plan horizontal entraîné par un dispositif mécanique non représenté de type tapis roulant 101 . Plusieurs supports 50 sont disposés sur ce tapis les uns derrières les autres suivant le sans d'avancement. Le bras 102 permet de poser les fibres de la première série 1 sur un support 50 tandis que le bras 103 permet de poser les fibres de la deuxième série 2 sur un support 50 sur lequel les fibres de la première série ont été mises en place.

Bien entendu, les bras 102 et 103 sont motorisés de manière à pouvoir être déplacés au plus prés de la surface des supports 50 afin d'avoir une bonne précision dans la mise en place des fibres.

Pour l'arrêt net des fibres en bordure des supports 50, le dispositif peut comporter des bras de découpes.

Lorsque les supports 50 comportent les deux séries de fibres, ils sont acheminés dans la zone de chauffage. Chaque support 50 est placé face au dispositif de chauffage 1 10 pour permettre la fusion des fibres en polymère thermoplastique de la deuxième série.

Le schéma de la figure 3 illustre un support 50 recouvert des deux séries de fibres 1 et 2, vu en coupe transversale.

Le schéma de la figure 4 permet d'illustrer ce support 50 après fusion des fibres de la deuxième série. Seules les fibres de la première série 1 peuvent être vues sur la coupe.

Dans l'exemple du dispositif représenté sur la figure 5, le dispositif de mise en place100 comporte deux voies dont les issues sont en vis-à-vis. Les deux séries de fibres 1 et 2 sont amenées par les deux voies sur un même plan de manière à venir en contact et à s'intercaler dans une zone de vis-à-vis et former un plan homogène imposé par le calibre des fibres.

Le plan formé par les deux séries de fibres en contact, passe pendant quelques secondes dans la zone de chauffage prévue pour obtenir la fusion des fibres polymères thermoplastiques. Dans cet exemple le dispositif de calandrage 1 15 peut assurer en plus la fonction de chauffage et se substituer au dispositif 1 10. En sortie du dispositif de calandrage, on obtient le matériau fibreux sous forme de bande 10 que l'on peut ensuite exploiter selon les besoins. Dans cet exemple les deux séries de fibres sont entraînées chacune par un dispositif de type tapis roulant 1 1 1 et 1 12. Il peut avantageusement être prévu des règles 1 13 et 1 14 de maintien de l'écartement de fibres sur chacun des tapis.

Il est bien entendu que lorsque l'on parle de mettre en contact les fibres en les intercalant, cela ne se limite pas à placer une fibre d'une série entre deux fibres de l'autre série. En effet, les dispositifs de mise en place 100 permettent de placer deux fibres côte à côte d'une même série entre deux fibres de l'autre série. De préférence, un tel agencement sera utilisé de manière à avoir par exemple une fibre minérale pour deux fibres de polymère thermoplastique.

Cela ne se limite pas non plus à placer les fibres des deux séries côte à côte. Il peut être prévu également, dans le cas où les fibres minérales constituent déjà un entrecroisement de type tissage à deux directions, de mettre les fibres de polymère thermoplastique en contact avec ce tissage, par exemple en les plaçant sur une face du tissage, cette face étant ensuite placée face au dispositif de chauffage.

D'autres dispositifs comme par exemple les dispositifs mécaniques décrits dans les brevets US 6 607 626 ; US 6 939 424 et US 7 235 149 pourraient également convenir pour la mise en place des fibres.

Un troisième appareil de mise en œuvre du procédé selon l'invention est illustré sur le schéma de la figure 6. Des détails de certains éléments sont illustrés sur les figures 7 et 8.

Selon ce mode préféré de réalisation, l'appareil comprend une ligne L de formation continue du matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène.

Cette ligne de formation continue comporte :

► Le dispositif de mise en place des fibres 100 équipé :

- du dispositif de déroulement des fibres, 104 ; ce dispositif 104 comporte des bobines de fibres 141 pour les fibres de la première série et des bobines 142 pour les fibres de la deuxième série. En pratique, il y a autant de bobines que de fibres et un dévidoir 143.

- du dispositif de préchauffage 105 ; il comporte deux demi-fours à ouverture horizontale, des rampes à infrarouge. Sa longueur est de 1 m. La température maximale pouvant être atteinte est de 600°C. La gorge de passage 13 a une section de 40x40mm environ.

- du dispositif de calandrage 106 ; il comporte deux cylindres comme illustré sur la figure 8, de diamètre 100mm, largeur 100mm, une surface chromée polie Ra inférieure à 0,1 micron. La surface des cylindres 15 et 17 possède des éléments 16 et 18, mâle et femelle de forme appropriée à l'emboîtement de l'un dans l'autre, par pression, de façon à calibrer la bande 10 en largeur à 6mm, lors de son passage sur les cylindres. Ce dispositif comporte un chauffage électrique fournissant une température maximale à environ 260°C, une cartouche chauffante avec collecteur tournant d'alimentation et régulation par une sonde thermocouple en surface, un palier auto-aligneur et écartement réglable de 0 à 2mm par vis-écrou, un entraînement synchrone des deux cylindres par chaîne ou courroie crantée, un motoréducteur avec servomoteur sans balais « brushless » permettant d'avoir une vitesse de ligne maximale de 30m/minute et une synchronisation électrique avec le train de tirage.

► Le dispositif de mise en forme 150 équipé :

- du dispositif de chauffage 1 10 identique au dispositif de préchauffage 105. La température de ce dispositif est réglée pour atteindre la température de fusion Tf des fibres polymères thermoplastiques. Le demi-four 1 1 comporte une gorge de passage 13 représenté sur la figure 7.

- d'un deuxième dispositif de calandrage 1 15 ;

- d'un troisième dispositif de calandrage 1 16 ;

-- ces dispositifs de calandrage sont identiques au premier dispositif de calandrage 106. Les détails de la structure des cylindres sont illustrés sur le schéma de la figure 8.

► Le dispositif de refroidissement 1 17. Il se présente sous la forme d'un bac de longueur 1 m en acier inoxydable dans lequel la bande est introduite et plongée dans de l'eau froide si nécessaire (la bande est représentée en pointillés dans la traversée du bac). Il comprend un sécheur à air comprimé et un groupe de réfrigération d'eau de 3KW environ.

► Le dispositif 1 18 de régulation du bobinage et de maintien de la bande empêchant les vibrations et opérant des mouvements de haut en bas sur une hauteur correspondant à la largeur des bobines d'enroulement 300.

► Le dispositif d'enroulement 300 ;ce dispositif comporte plusieurs bobines plates en forme de galettes 301 , 302 etc., d'environ 600mm de diamètre. Les galettes se superposent sur un axe XX vertical au fur et à mesure du remplissage. Il est prévu de stoker 10 à 20 galettes avec un intercalaire entre-elles. Le passage d'une galette 301 à la suivante 302 se fait manuellement. La synchronisation avec tirage de la bande se fait par un patin de régulation, la tension est réglée par le contre poids du patin. ► Le train de tirage 350 qui permet d'entraîner la bande en continu. Il comporte des rouleaux en élastomère et permet d'exercer une pression fixe par vérin pneumatique. Il est synchronisé électriquement avec les dispositifs de calandrage.

La ligne de formation continue L est pilotée par un poste de commande 400, du type ordinateur avec écran de visualisation. Ce poste 400 est relié, par réseau par exemple, aux différents dispositifs à commandes électriques de la ligne : moteurs électriques ; variateurs de vitesse et régulateurs de vitesse, de température ; moteur du train de tirage pour permettre les différentes synchronisations nécessaires au fonctionnement en continu de la ligne L. Ce poste de commande permet également d'enregistrer tous les paramètres pour la gestion des automatismes et de synchronisation.

Dans le cas où les fibres minérales 1 utilisées ont une couche d'enduction (ou ensimage), la couche d'enduction pourra être retirée, si nécessaire c'est-à-dire en cas d'incompatibilité avec les fibres de polymère thermoplastique à fondre. La couche d'enduction sera retirée avant mise en contact des deux séries de fibres 1 , 2. A cette fin, il peut être prévu que les fibres des deux séries arrivent par deux dévidoirs séparés de sorte que le désensimage soit opéré sur les fibres minérales avant mise en contact des deux séries de fibres ; ou que le désensimage des fibres minérales soit réalisé dans un four comme le four 105 avant la mise en contact des deux séries de fibres dans le four 105.

En outre, pour obtenir une fusion et imprégnation améliorée, on pourra utiliser un dispositif de chauffage 1 10 de type laser au lieu d'un four à infra rouge comme décrit dans l'exemple précédent. Dans ce cas, le dispositif laser est agencé de sorte que le rayon laser arrive dans l'axe longitudinal des fibres (du ruban), c'est-à-dire l'axe de tirage. Ainsi le chauffage est direct et donc concentré sur les fibres.

Préférentiellement, le dispositif chauffage 1 10 est de type chauffage par induction ou micro-ondes.

En effet, un dispositif de chauffage par induction ou micro-onde est particulièrement adapté lorsque des fibres conductrices électriquement sont présentes dans l'assemblage ou lorsque des charges conductrices électriques sont présentes dans le matériau pré-imprégné. Car, dans le cas d'un chauffage par induction ou par micro-ondes, la conductivité électrique de ces dernières est mise en œuvre et contribue à l'obtention d'une cuisson à cœur et à une meilleure homogénéité du matériau fibreux. La conduction thermique des fibres de l'assemblage ou des charges présentes dans le matériau fibreux pré-imprégné contribue également avec ce type de chauffage à une cuisson à cœur améliorant l'homogénéité du matériau.

Le chauffage par micro-onde ou par induction tout particulièrement bien adapté en présence de charges telles que des nanotubes de carbone NTC dans le matériau pré-imprégné permet d'obtenir une meilleure dispersion/répartition des NTC au sein du matériau, conduisant à une meilleure homogénéité des propriétés physico-chimiques, et par conséquent de meilleures propriétés au global sur le produit final.