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Title:
METHOD FOR PRODUCING A DRY PREFORM PRODUCED BY KNITTING, METHOD FOR MANUFACTURING A PRODUCT MADE OF COMPOSITE MATERIALS FROM SAID PREFORM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/189497
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for manufacturing a transformable dry preform, in particular for manufacturing a product made of composite materials, characterised in that it comprises the consecutive steps of simultaneous weft/column knitting of at least one mesh thread and at least one unidirectional reinforcement thread, at least one mesh thread comprising a material of a different nature to a material contained in at least one unidirectional reinforcement thread, at least one of said materials being thermoplastic and having a melting point lower than the melting point of at least one other material, referred to as reinforcement material, and production of a three-dimensional knit fabric constituting a dry preform in the shape of the product to be obtained.

Inventors:
CONZE, Pierre (4 Place Arzac, TOULOUSE, TOULOUSE, 31300, FR)
BRAVARD, Jérôme (2 Rue des Cafés, CRUSCADES, CRUSCADES, 11200, FR)
Application Number:
FR2018/050954
Publication Date:
October 18, 2018
Filing Date:
April 16, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SAINT-GOBAIN PERFORMANCE PLASTICS FRANCE (34 Rue du Moulin des Aulnaies, CHARNY OREE DE PUISAYE, CHARNY OREE DE PUISAYE, 89120, FR)
International Classes:
B29B11/16; B29C70/30; D04B1/16; D04B21/16
Domestic Patent References:
WO2014174101A12014-10-30
Foreign References:
DE102014000153A12014-07-10
US20160075061A12016-03-17
JPH0489207A1992-03-23
JP2011241505A2011-12-01
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
SAINT-GOBAIN RECHERCHE (Département Propriété Industrielle - 39 Quai Lucien Lefranc, AUBERVILLIERS, 93300, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une préforme sèche, transformable, notamment pour la fabrication d'un produit en matériaux composites, caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes :

tricotage trame/colonne simultané d'au moins un fil de maille et d'au moins un fil unidirectionnel de renfort, au moins un fil de maille comprenant un matériau de nature différente d'un matériau compris dans au moins un fil unidirectionnel de renfort, l'un au moins desdits matériaux étant thermoplastique et présentant un point de fusion inférieur au point de fusion d'au moins un autre matériau, dit matériau de renfort,

- réalisation d'un tricot en trois dimensions constituant une préforme sèche, à la forme du produit à obtenir.

2. Procédé de fabrication d'une préforme sèche selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un fil unidirectionnel de renfort est introduit en trame, dans le sens des rangées, par dépose et emprisonnement dans les mailles, sans prise en charge par les mailles.

3. Procédé de fabrication d'une préforme sèche selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins un fil unidirectionnel de renfort est introduit dans le sens des colonnes, par dépose et emprisonnement dans les mailles, sans prise en charge par les mailles.

4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on tricote simultanément une pluralité de fils de maille et/ou une pluralité de fils unidirectionnels de renfort.

5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un fil unidirectionnel de renfort comprend au moins un matériau de renfort et au moins un matériau thermoplastique.

6. Préforme sèche susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une des revendications précédentes.

7. Procédé de fabrication d'un produit en matériaux composites utilisant la préforme sèche obtenue par la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par la succession des étapes suivantes :

- mise en place de ladite préforme sur un mannequin au profil du produit à réaliser, chauffage pour atteindre au moins la température du point de fusion la plus basse, afin d'imprégner et/ou d'enrober le au moins un autre fil en au moins un autre matériau par le au moins un matériau thermoplastique transformé par fusion, et refroidissement du produit ainsi obtenu.

8. Procédé de fabrication d'un produit en matériaux composites selon la revendication précédente, dans lequel la préforme est intégrée dans une matrice en résine.

9. Procédé de fabrication d'un produit en matériaux composites selon la revendication 7, qui ne comprend pas d'étape d'ajout de résine.

10. Matériau composite susceptible d'être obtenu par le procédé de l'une des revendications 7 à 9.

Description:
PROCEDE DE REALISATION D'UNE PREFORME SECHE REALISEE PAR TRICOTAGE, PROCEDE DE FABRICATION D'UN PRODUIT EN MATERIAUX COMPOSITES A PARTIR DE LADITE

PREFORME

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une préforme sèche, réalisée par tricotage, notamment pour la fabrication d'une pièce en matériaux composites.

Le procédé concerne aussi la fabrication d'un produit en matériaux composites à partir de la préforme sèche ainsi obtenue.

Les matériaux composites intéressent différents secteurs technologiques. En effet, les matériaux composites concernent les matériaux intégrant une armature et une matrice, ladite armature étant noyée dans cette matrice.

C'est ainsi que le béton armé peut être considéré comme un matériau composite. En effet, les caractéristiques intrinsèques du béton sont très modestes et les armatures en acier ou en matériaux de synthèse, intégrées dans la matrice en béton, conduisent à des performances totalement différentes et très nettement supérieures à celles de la seule matrice en béton.

Les matériaux composites obtenus à partir d'une matrice en résine et d'une armature en matériaux de synthèse, généralement des polymères mais aussi des métaux, relèvent du même principe général.

Si le principe est bien connu, le type d'armature, la disposition, la géométrie, la combinaison des matériaux, le positionnement de l'armature dans la pièce à obtenir, notamment, sont autant de paramètres à maîtriser, conduisant très rapidement à une infinité de solutions.

II est aussi nécessaire de prendre en compte les aspects coûts, industrialisation, durabilité, reproductibilité et contrôle de la qualité.

Les solutions sont dès lors très complexes.

La présente invention vise le domaine des matériaux composites, quels que soient les domaines techniques d'application et quelles que soient les matrices utilisées, la seule condition étant la réalisation de la préforme par tricotage. La présente invention vise un procédé de fabrication d'une préforme tricotée sèche, transformable, intégrant des fils comprenant un matériau destiné à former tout ou partie de la matrice finale du composite.

Selon l'invention, une préforme tricotée sèche, transformable, est une armature dont une partie au moins des matériaux qui la constitue est apte à se transformer par changement d'état, par modification de la structure initiale, avec pour conséquence de ne plus pouvoir identifier de façon isolée les matériaux transformés dans le produit en matériaux composites ainsi obtenu.

Les matériaux composites organiques comprennent des fibres de synthèses minérales, comme le verre, ou des fibres organiques, qui forment l'armature et sont noyées dans une matrice dont la composition intègre au moins une résine organique.

Les techniques de fabrication du produit final conformé suivant un plan donné, sont diverses.

Le drapage consiste à disposer au moins une couche d'au moins un mat de fibres non tissées et/ou d'au moins un tissu obtenu à partir de fils tissés, sur la paroi intérieure d'une première partie d'un moule pour conférer à l'armature la forme générale. Ensuite, soit une seconde partie du moule est fermée, puis la composition de résine de la matrice est injectée sous pression en différents points choisis, soit une vessie est disposée sur l'ensemble et la résine est introduite en réalisant une dépression en différents points choisis de ladite vessie. Ces divers points d'injection ou de tirage par dépression ont pour but de permettre une répartition parfaite de la résine, sans bulle d'air emprisonnée, et pour faciliter le fluage de la résine à travers l'armature.

Les produits fabriqués en matériaux composites ont un avantage important, celui de pouvoir prendre des conformations géométriques très différentes et très complexes.

Dans le cas des armatures réalisées à partir de fibres non tissées ou tissées, dès que la forme est complexe, il est nécessaire de découper différentes pièces, de les superposer pour assurer la reprise de la résistance mécanique, d'ajouter des pièces de renfort localement, ce qui complique la mise en œuvre. La reprise mécanique est d'ailleurs imparfaite car les fibres ne sont pas continues.

Le tricotage de fils, en 2D ou 3D, permet de réaliser un produit complexe, directement drapable sur une forme en 2D ou en 3D, assurant la continuité des fils dans tout le produit tricoté obtenu. Le but est de permettre de répondre, directement avec un seul produit tricoté, à la fabrication d'un produit en matériaux composites en 3D.

Le but de la présente invention est de proposer une préforme tricotée sèche, transformable, telle que définie ci-avant.

La préforme tricotée, sèche, transformable, obtenue par le procédé selon l'invention intègre l'armature et ce qui va devenir, après transformation, une résine d'enrobage et/ou d'imprégnation, voire la matrice du composite.

Le procédé de fabrication d'une préforme sèche, transformable, notamment pour la fabrication d'un produit en matériaux composites, se caractérise en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes :

- tricotage trame/colonne simultané d'au moins un fil de maille et d'au moins un fil unidirectionnel de renfort, au moins un fil de maille comprenant un matériau de nature différente d'un matériau compris dans au moins un fil unidirectionnel de renfort, l'un au moins desdits matériaux étant thermoplastique et présentant un point de fusion inférieur au point de fusion d'au moins un autre matériau, dit matériau de renfort,

- réalisation d'un tricot en trois dimensions constituant une préforme sèche, à la forme du produit à obtenir.

L'invention couvre aussi le procédé de réalisation d'un produit en matériaux composites obtenu à partir de la préforme sèche selon la présente invention, qui comprend la succession des étapes suivantes :

- mise en place de ladite préforme sur un mannequin au profil du produit à réaliser,

- chauffage pour atteindre au moins la température du point de fusion la plus basse, afin d'imprégner et/ou d'enrober le matériau de renfort par le au moins un matériau thermoplastique transformé par fusion, et

- refroidissement du produit ainsi obtenu.

On entend par fil de maille le fil formant les mailles du tricot. Dans un tricotage trame/colonne, ces mailles sont cueillies par les mailles de la rangée inférieure.

Un fil unidirectionnel de renfort (appelé fil UD) est un fil inséré dans les mailles du tricot, par dépose et emprisonnement dans les mailles, sans prise en charge par les mailles.

On entend par matériau thermoplastique un matériau polymère capable de fondre lors de la fabrication du composite, de manière à former tout ou partie de la matrice dudit composite. Comme exemples de matériaux thermoplastiques, on peut citer les polypropylènes ou les polycarbonates.

On entend par matériau de renfort, un matériau qui n'est pas susceptible de fondre lors de la fabrication du composite et qui est donc destiné à former l'armature du composite. Comme matériaux de renfort, on peut citer le verre, le carbone, le quartz, certaines matières plastiques résistantes thermiquement comme les aramides (par exemple le Kevlar ® ).

Un fil, qu'il soit UD ou de maille, peut être constitué d'un matériau, soit thermoplastique soit de renfort. Dans la description détaillée qui suit, le terme « matériau » peut alors être remplacé par « fil ». Alternativement, un fil peut comprendre plusieurs matériaux, en particulier un matériau de renfort et un matériau thermoplastique.

Selon une caractéristique du procédé, on tricote simultanément un seul fil de maille et un seul fil UD. Le fil de maille et/ou le fil UD peuvent, indépendamment, être constitués d'un seul matériau, ou comprendre plusieurs matériaux. Par exemple, le fil de maille est constitué d'un matériau de renfort et le fil UD comprend un matériau thermoplastique et un matériau de renfort. Selon un autre exemple, le fil de maille comprend un matériau thermoplastique et un matériau de renfort et le fil UD est constitué d'un matériau de renfort.

Selon une autre caractéristique du procédé, on tricote simultanément une pluralité de fils de maille et/ou une pluralité de fils UD. Les mailles du tricot peuvent ainsi être formées d'une pluralité de fils de maille. De même, une pluralité de fils UD peut être introduite dans le tricot. La pluralité va de préférence de 2 à 10, notamment de 2 à 6. Toutes les combinaisons sont possibles, par exemple une pluralité de fils de maille (par exemple 2 ou 3) avec un seul fil UD, une pluralité de fils UD (par exemple 2 à 6) avec un seul fil de maille, ou encore une pluralité de fils de maille avec une pluralité de fils UD. La pluralité de fils UD peut avantageusement comprendre au moins un fil comprenant ou constitué d'un matériau thermoplastique et au moins un fil comprenant ou constitué d'un matériau de renfort. La pluralité de fils de maille peut comprendre au moins un fil comprenant ou constitué d'un matériau thermoplastique et au moins un fil comprenant ou constitué d'un matériau de renfort. La pluralité de fils de maille peut alternativement être constituée de fils comprenant ou constitués d'un matériau thermoplastique. La pluralité de fils de maille peut encore être constituée de fils comprenant ou constitués d'un matériau de renfort. Ici encore, toutes les combinaisons sont possibles et l'on peut citer par exemple une pluralité de fils UD comprenant au moins un fil thermoplastique et au moins un fil de renfort avec une pluralité de fils de maille comprenant également au moins un fil thermoplastique et au moins un fil de renfort, ou encore une pluralité de fils UD comprenant au moins un fil thermoplastique et au moins un fil de renfort avec un seul fil de maille constitué d'un matériau de renfort.

Comme indiqué précédemment, un fil peut être constitué d'un matériau ou comprendre plusieurs matériaux.

Selon un premier mode de réalisation, le fil de maille et le ou chaque fil UD sont tous les deux constitués d'un matériau différent, dont l'un est un matériau thermoplastique et l'autre un matériau de renfort. Typiquement, le fil de maille peut être constitué d'un matériau thermoplastique et le fil UD peut être constitué d'un matériau de renfort.

Selon un deuxième mode de réalisation, au moins un fil UD, notamment l'unique fil UD, comprend au moins un matériau de renfort et au moins un matériau thermoplastique, notamment est constitué d'un matériau de renfort et d'un matériau thermoplastique. Dans ce cas le (ou au moins un) fil de maille peut être soit constitué d'un matériau de renfort, soit constitué d'un matériau thermoplastique, soit encore comprendre un matériau de renfort et un matériau thermoplastique.

Selon une première variante de ce deuxième mode de réalisation, le fil UD comprend un fil d'un matériau de renfort autour duquel est torsadé un fil d'un matériau thermoplastique. On peut citer par exemple un fil de verre, un fil de carbone ou un fil d'aramide autour duquel est torsadé un fil de polypropylène.

Selon une deuxième variante de ce deuxième mode de réalisation, le fil UD comprend un fil d'un matériau de renfort entouré d'une gaine thermoplastique. Le fil UD peut par exemple être obtenu en faisant passer le fil constitué d'un matériau de renfort dans un bain de matière thermoplastique fondue, puis à coextruder l'ensemble. On peut citer par exemple un fil de verre, un fil de carbone ou un fil d'aramide entouré d'une gaine de polypropylène.

Selon une troisième variante de ce deuxième mode de réalisation, le fil UD peut comprendre le mélange intime d'une pluralité de filaments d'au moins un matériau de renfort et d'une pluralité de filaments d'au moins un matériau thermoplastique. On peut citer par exemple un fil constitué d'un mélange intime de filaments de carbone ou d'aramide et de filaments de polypropylène. Quelle que soit la variante choisie, le deuxième mode de réalisation est préféré car il favorise une pénétration de la matière thermoplastique plus intime lors de la fabrication du composite et évite la formation de zones sèches. Il en résulte une meilleure transmission des efforts à l'armature, et donc une meilleure résistance mécanique pour le matériau composite final. Ce deuxième mode de réalisation permet en outre d'augmenter la quantité de matériau thermoplastique dans la préforme.

On introduit lors du tricotage au moins un fil unidirectionnel de renfort afin d'améliorer les performances mécaniques du composite dans la direction de ce fil unidirectionnel. On peut introduire un seul fil UD, ou encore plusieurs fils UD, notamment deux fils UD.

Selon une caractéristique, le tricotage permet d'introduire des fils unidirectionnels de renfort, dits fils UD 90°, c'est-à-dire en trame. Ces fils sont déposés dans le sens des rangées, sans prise en charge dans les mailles, en étant emprisonnés dans lesdites mailles.

Ces fils de renfort unidirectionnels conduisent à une amélioration des performances mécaniques dans la direction de la trame.

Selon une autre caractéristique, éventuellement combinable avec la précédente, on prévoit aussi l'intégration de fils unidirectionnels de renfort, dits fils UD 0°, c'est-à-dire dans le sens des colonnes. Ces fils sont déposés dans le sens des colonnes, perpendiculairement à la trame, sans prise en charge dans les mailles mais simplement emprisonnés par les mailles.

Selon la présente invention, la préforme intègre un matériau destiné à former l'armature et un matériau destiné à former tout ou partie de la matrice afin d'obtenir un produit en matériaux composites, permettant même, dans certaines applications, la suppression des étapes d'injection et/ou d'infusion de résine. Si la quantité de matériau thermoplastique apporté par les fils (de maille ou UD) est suffisante, le matériau composite peut en effet être obtenu par chauffage de la préforme sans ajout de résine.

Le taux de matière thermoplastique dans la préforme est de préférence compris entre 10 et 90% en poids, notamment entre 50 et 70% en poids. Le deuxième mode de réalisation décrit ci-avant permet d'obtenir des quantités importantes de matière thermoplastique.

Les fils élaborés à partir de polymères thermoplastiques sont des fils synthétiques ayant des propriétés mécaniques permettant leur tricotage. Les fils thermoplastiques sont peu sensibles au cisaillement et présentent des résistances mécaniques à la traction suffisantes pour que ces fils puissent être utilisés dans des machines de tricotage.

Les fils sont disposés dans le même guide fil ou sont tricotés au moins l'un dans le sens de la trame et au moins un autre dans le sens du tricot.

Les fils sont tricotés pour former un tricot en trois dimensions constituant une préforme, au profil 3D du produit à obtenir.

On peut utiliser pour cela des machines à tricoter trame du type rectiligne.

Les ratios des au moins deux fils ou matériaux différents sont gérés par l'alimentation desdits fils, notamment par le diamètre du fil ou en faisant varier la proportion de matériau thermoplastique dans le fil UD lorsque celui-ci en contient.

On peut donc gérer le ratio matrice/armature (ratio matériau de renfort/matériau thermoplastique) par le choix des fils, l'alimentation en fils, la contexture, ou en faisant varier la proportion de matériau thermoplastique dans le fil UD lorsque celui-ci en contient.

La précision du ratio est importante et surtout la répartition de la quantité des au moins deux matériaux sur la totalité de la surface du produit est parfaitement maîtrisée.

La préforme sèche présente une forme en trois dimensions. Elle présente de préférence une forme conique ou cylindrique. Il peut notamment s'agir d'un cylindre de section circulaire ou rectangulaire.

La préforme sèche peut comprendre une pluralité de zones (par exemple 2, 3 ou plus) se distinguant par la nature du fil de maille et/ou du fil UD. Il est ainsi possible d'adapter les propriétés, notamment mécaniques, de la préforme, selon les zones, en fonction de l'utilisation finale du composite. La préforme peut par exemple comprendre une première zone formée d'un premier fil de maille et d'un premier fil UD et une deuxième zone formée d'un deuxième fil de maille et d'un deuxième fil UD, le premier fil UD étant de nature différente du deuxième fil UD et/ou le premier fil de maille étant de nature différente du deuxième fil de maille.

Le procédé de fabrication d'un produit en matériaux composites à partir de la préforme sèche réalisée, prévoit ensuite de placer ladite préforme sèche, transformable, sur un mannequin au profil du produit à obtenir, rigide ou gonflable, lorsque la forme est complexe de façon à en permettre le retrait. Selon le procédé de la présente invention, la préforme sèche tricotée obtenue est chauffée à la température de fusion de l'un au moins des matériaux (notamment fils) thermoplastiques utilisés, c'est-à-dire à une température qui rend ledit au moins un matériau thermoplastique visqueux voire liquide, au point de pouvoir enrober ou imprégner le au moins autre matériau (notamment fil) de la préforme, voire à noyer lesdits matériaux (notamment fils) dans la matrice thermoplastique ainsi obtenue. Dans le cas de plusieurs matériaux à points de fusion différents, la température retenue est celle de la température permettant de rendre visqueux les matériaux souhaités sans atteindre celle des matériaux devant rester solides.

Le procédé prévoit le refroidissement de la préforme après transformation, après dépassement du point de fusion de l'un au moins des matériaux thermoplastiques, pour obtenir un produit rigide, semi-rigide ou souple, au profil du produit à obtenir. Les caractéristiques de rigidité, semi-rigidité ou de souplesse, dépendent du ratio (ou du taux de matériau thermoplastique) : si la quantité de matériau thermoplastique est faible et imprègne seulement le au moins autre matériau, la souplesse sera importante; si la quantité de matériau thermoplastique est très importante et assure un enrobage débordant, la rigidité sera plus importante.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé de fabrication du composite ne comprend pas d'étape d'ajout (notamment d'injection et/ou d'infusion) d'une résine. La préforme est utilisée directement en adaptant le ratio des matériaux pour obtenir les propriétés mécaniques recherchées, le au moins un matériau ou fil thermoplastique constituant alors la matrice après transformation et le au moins un matériau de renfort constituant l'armature. Cela est possible dans le cas d'une préforme rigide, donc contenant une proportion suffisante de matériau thermoplastique (typiquement au moins 30 ou 40% en poids).

La préforme sèche initiale devient directement le produit en 3D après transformation et retrait de la préforme du mannequin.

Selon une autre mode de réalisation, moins préféré, la préforme est intégrée dans une matrice en résine. A cet effet, la préforme transformée est intégrée dans un moule pour injection ou sous vessie pour infusion, afin de permettre l'intégration de ladite préforme dans une matrice comprenant au moins une résine destinée à être polymérisée à son tour pour obtenir un produit en matériaux composites avec le profil recherché. Cela peut être nécessaire lorsque la préforme est à majorité constituée de matériau de renfort, formant l'armature, avec un très faible taux de matériau thermoplastique. L'armature est alors rigide ou semi rigide ou encore souple et comprend uniquement des fils juste enrobés ou imprégnés par ledit au moins un polymère thermoplastique.

La résine dans laquelle est éventuellement noyée l'armature doit être compatible avec les matériaux de renfort et thermoplastique. La résine est par exemple choisie parmi les résines époxy.

La préforme peut être utilisée pour la réalisation de produits composites dans le bâtiment, en association avec des matériaux minéraux avec un liant hydraulique ou pour du second œuvre, mais surtout pour les domaines de l'aéronautique, du médical, du mobilier cette énumération étant totalement non restrictive ou limitative.

Les exemples qui suivent illustrent l'invention de manière non-limitative. Exemple 1

Une préforme sèche en trois dimensions, de forme conique, a été obtenu en tricotant simultanément :

- en maille, un fil de verre (masse linéique de 34 tex, soit 34 mg/m) et un fil de polycarbonate (60 tex)

- en trame, trois fils UD de verre (100 tex) et 3 fils UD en polycarbonate (60 tex).

Le tricot contient donc une pluralité de fils de maille, en l'occurrence 2, dont des fils en matériau de renfort et des fils en matériau thermoplastique et une pluralité de fils UD, en l'occurrence 6, dont des fils en matériau de renfort et des fils en matériau thermoplastique.

Le tricot a pu être transformé en matériau composite sans ajout de résine.

Exemple 2

Une préforme sèche en trois dimensions, sous la forme d'un tuyau circulaire, a été obtenu en tricotant simultanément :

en maille, un fil de Kevlar ® (89 tex),

- en trame, un fil UD de Kevlar ® (158 tex) et 2 fils UD de PEI (132 tex) Le tricot contient donc un seul fil de maille en un matériau de renfort et une pluralité de fils UD, en l'occurrence 3, dont un en matériau de renfort et deux fils en matériau thermoplastique.

Le tricot a pu être transformé en matériau composite sans ajout de résine.