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WO2023118383A1 - Pièce en matériau composite recyclé et procédé de fabrication - Google Patents

Pièce en matériau composite recyclé et procédé de fabrication Download PDF

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Publication number
WO2023118383A1
WO2023118383A1 PCT/EP2022/087372 EP2022087372W WO2023118383A1 WO 2023118383 A1 WO2023118383 A1 WO 2023118383A1 EP 2022087372 W EP2022087372 W EP 2022087372W WO 2023118383 A1 WO2023118383 A1 WO 2023118383A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chips
chip
composite material
carbon fibers
adhesive
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/087372
Other languages
English (en)
Inventor
Benjamin SAADA
Adrien CONTANT
Ugo DUBOIS
Original Assignee
Fairmat
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fairmat filed Critical Fairmat
Priority to CA3240590A priority Critical patent/CA3240590A1/fr
Priority to CN202280084818.9A priority patent/CN118525055A/zh
Priority to EP22843723.2A priority patent/EP4453070A1/fr
Priority to KR1020247023995A priority patent/KR20240125967A/ko
Publication of WO2023118383A1 publication Critical patent/WO2023118383A1/fr

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Definitions

  • the present invention relates to the field of recycling composite materials, in particular composite materials comprising carbon fibers.
  • Composite materials based on carbon fibers are used in many technical fields for their mechanical properties, in particular resistance and lightness. They are commonly used in particular in the aeronautical field, in the automotive industry, in boating, but also in the field of construction, energy, etc. Composite materials based on carbon fibers generally comprise carbon fibers included in a matrix.
  • the carbon fibers are included in the matrix according to a given orientation, for example unidirectionally, or in the form of sheets of woven fibers.
  • the matrix generally, it consists of a polymer or it essentially comprises a polymer.
  • the matrix can also be called “adhesive”, or even “resin” (the matrix generally being a polymer).
  • the matrix can be thermoplastic or thermosetting in nature. Adhesives of a similar nature can be used in the same way within the scope of the present invention. Thus, unless otherwise stated, the terms "matrix”, “glue”, “adhesive” and “resin” are considered synonymous in this document.
  • thermosetting polymers undergo a chemical reaction called crosslinking during the shaping of the composite material. This reaction generates chemical bonds and is irreversible. It is generally accepted that the most effective thermosetting polymers for forming a composite material based on carbon fibers are polyepoxides (known as “epoxies”).
  • Thermoplastic polymers are polymers which, beyond a certain temperature, called “phase transition temperature”, below their thermal degradation temperature, become viscous and can thus be shaped. When the temperature drops below this phase transition temperature, the polymer hardens and regains its initial stiffness. This hardening is reversible, by heating the polymer again.
  • the most common thermoplastic polymers are polyethylene (PE), poly(ethylene terephthalate) (PET) or polycaprolactam (PA-6).
  • PEEK poly(phenylene ether-ether-ketone)
  • PPS poly(phenylene sulfide)
  • PEI polyetherimide
  • composite materials based on carbon fibers being numerous and increasingly widespread, the question of the recycling of these materials arises.
  • these composite materials are high-value materials (largely due to the fact that they contain carbon fibers), the recovery of which may prove to be economically relevant.
  • Recycling may concern elements made of composite material at the end of their life or having suffered damage, elements manufactured but not meeting or no longer meeting certain standards required for the use for which they are intended (in particular in the aeronautical or space field) , or, more rarely, items not used on a certain date.
  • Mechanical recycling consists, in principle, of splitting and grinding existing composite material parts to separate at least partially the fibers from the resin, so as to obtain more or less long fibers which can be reused as reinforcement in new new resin.
  • the low fibrous particles resulting from the grinding which come in the form of powder, can be mixed with a resin during the formation of a new element in composite material.
  • the shredded pieces of composite are used as filling elements or as reinforcement in molded parts, but are not really intended to replace virgin carbon fibers as used in the traditional processes for manufacturing composite elements (based on non-recycled materials).
  • the powder obtained by grinding the composite materials to be recycled can be sieved in order to be sorted into several categories of particle sizes, without however this size having a significant influence on the mechanical properties of the element then formed in including these particles.
  • Chemical recycling consists of chemically degrading the hardened resin of a composite material in order to recover carbon fibers present in this material.
  • the recovered fibers are then generally aligned and/or spun to create a yarn from several thousand recovered fibers.
  • the mechanical properties of parts formed from composite materials comprising these recycled fibers are much lower than those of composite materials comprising new, non-recycled carbon fibers.
  • chemical degradation processes are known, in particular conventional solvolysis, solvolysis “under mild conditions”, or solvolysis under supercritical conditions.
  • the parts to be recycled are immersed in a solvent, at high temperature (more than 200°C) and high pressure (around 180 bar), so that the resin is decomposed.
  • a solvent at high temperature (more than 200°C) and high pressure (around 180 bar), so that the resin is decomposed.
  • These may be, for example, concentrated acids (nitric acid or sulfuric acid in particular).
  • solvolysis under mild conditions, more moderate temperatures than in conventional solvolysis, below 200° C., are used.
  • the process takes place at atmospheric pressure (ambient pressure), and milder solvents, such as acetone or N,N-dimethylformamide are used, as well as possibly catalysts such as hydrogen peroxide or peroxyaceous acid tick.
  • Pre-treatment with acetic acid can also be used. That said, solvolysis under mild conditions has a fairly low production yield.
  • solvents are used under supercritical conditions to exhibit improved diffusivity and increased solvating ability. It is a complex and expensive process.
  • thermal recycling consists in principle of thermally degrading the resin of a composite material to recover the carbon fibers.
  • the heat can be provided by a pyrolysis process, which generally consists of burning the resin in an oven, by a fluidized bed process which uses the combined action of a solvent and high temperature, and finally by micro- waves.
  • the recovered fibers have highly degraded mechanical properties compared to new fibers.
  • THE Recovered fibers are generally short, they must be aligned and spun to be reused in applications requiring correct mechanical characteristics. Otherwise, they are used in filling, as are for example the powders obtained in the mechanical recycling processes mentioned above.
  • the present invention aims to provide a composite material part obtained by a recycling process which overcomes all or part of the problems mentioned above. In particular, it aims to obtain a part made of composite material with high mechanical properties, at a controlled economic and environmental cost.
  • the invention relates to a part made of composite material comprising shavings at least partly included in a matrix.
  • Each chip has a substantially constant thickness defined between two opposite parallel faces of the chip, each chip comprising carbon fibers at least partly included in an adhesive hardened during a first hardening prior to the formation of said part. At least a majority of the fibers of the chip extend substantially parallel to opposite faces of the chip.
  • the matrix in which each chip is embedded at least in part is formed of an adhesive cured during a second cure. Thus, a bonding interface is formed between the die and each chip in the part.
  • the concept of substantially constant thickness is interpreted as follows.
  • the thickness corresponds to the smallest dimension of the chip, which is small compared to its other dimensions (for example compared to its length and its width for a chip in a rectangular shape).
  • the chip thickness is substantially constant, because the chip has two (main) faces opposite substantially parallel at all points.
  • the chip is flat in the absence of constraints, it can be curved once included in a part which is the subject of the present invention. This possible curvature is possible due to the low thickness of the chip, which gives it a certain flexibility.
  • the thickness of the chip measured perpendicular to the main faces of the chip, is constant at all points of the chip, or, at the very least, is perceived as constant by an observer.
  • the thickness is “substantially” constant, that is to say that it is naturally perceived as constant.
  • the thickness is substantially constant when the smallest thickness is not less than half of the greatest thickness measured on a chip, and preferably when the difference between the greatest thickness and the smallest thickness measured on one chip does not exceed 25%.
  • the thickness is substantially constant when the difference between the smallest thickness and the largest thickness measured on the chip does not exceed 0.5 mm.
  • the bonding interface may essentially comprise mechanical adhesion bonds.
  • mechanical adhesion bond is meant a mechanical bond such as a mechanical anchor (physical anchoring of the adhesive in the roughness of the solid surface of the chips), as well as possibly a bond by diffusion (diffusion of the adhesive in the chip) and/or a bond of the thermodynamic type, in particular of the “Van der Waals” type.
  • Mechanical adhesion bonds are inherently different from ionocovalent bonds.
  • the expression "essentially mechanical adhesion bonds” expresses the fact that the first hardening is deemed to be complete, but it cannot be excluded that there remain on the chips a few rare sites capable of forming an iono-covalent bond with the part matrix.
  • the chip adhesive is hardened during the first cure, i.e. polymerized for a thermosetting or thermoplastic adhesive, so that it no longer (or almost no longer) contains a site for forming a bond. chemical with the adhesive in which the chips are included for the second curing.
  • the presence of iono-covalent bond between the chip and the cured adhesive during a second curing is rare or even non-existent, so that the bonding interface between the chip and the adhesive is visible to the naked eye. , as shown in Figures 2 and 3 described below.
  • the term “substantially” conventionally refers to the perception of this characteristic according to the system used for its measurement or manufacture. If a characteristic is observed with the naked eye, the term “significantly” therefore refers to the perception that an observer has of this characteristic.
  • An expression containing the term “substantially” should be interpreted as a technical characteristic produced within the tolerance range of its method of manufacture. In particular, the “substantially parallel” character between two elements can be understood to within 10° of angle. If the considered fiber is included in a fabric (typically taffetas, twills or satins), the direction of extension of the fiber is considered by neglecting the undulations of the fiber related to the weaving.
  • chips at least partly included in a matrix we mean the fact that each chip is embedded in the matrix, with the possible exception of certain chips that may emerge on the surface of the part.
  • carbon fibers at least partly included in an adhesive hardened during a first hardening is meant the fact that the carbon fibers are embedded in the adhesive of a chip, with the possible exception of some fibers may emerge on the surface of the chip.
  • the process of curing transforms a resin by a process of cross-linking.
  • Energy and/or catalysts are added to cause the molecular chains to react at chemically active sites binding into a rigid 3D structure.
  • the cross-linking process forms a molecule with a higher molecular weight, resulting in a material with a higher melting point.
  • the molecular weight increases until the melting point is above the surrounding room temperature, and the material turns into a solid material.
  • the adhesives suitable for composite materials can be chosen from the group consisting of thermosetting resins such as epoxy resins, cyanate ester and phenolic resins.
  • Suitable epoxy resins include diglycidyl ethers of bisphenol A, diglycidyl ethers of bisphenol F, epoxy novolac resins and N-glycidyl ethers, glycidyl esters, aliphatic and cycloaliphatic glycidyl ethers, glycidyl ethers of aminophenols, ethers glycidyls of any substituted phenols and mixtures thereof.
  • thermosetting polymers Also included are modified blends of the aforementioned thermosetting polymers.
  • modified blend is meant a polymer modified, typically, by the addition of rubber or thermoplastic.
  • Any suitable catalyst (or “hardener”) can be used.
  • the catalyst will be chosen to match the resin used.
  • the catalyst can be accelerated.
  • a dicyandiamide catalyst when used, a substituted urea can be used as an accelerator.
  • the curing agent with an epoxy resin can also be chosen from Dapsone (DDS), Diamino-diphenyl methane (DDM), BF3-amine complex, substituted imidazoles, accelerated anhydrides, metaphenylene diamine, diaminodiphenyl ether, aromatic polyetheramines, adducts aliphatic amine salts, aliphatic amine salts, aromatic amine adducts and aromatic amine salts.
  • DDS Dapsone
  • DDM Diamino-diphenyl methane
  • BF3-amine complex substituted imidazoles
  • metaphenylene diamine diaminodiphenyl ether
  • aromatic polyetheramines adducts aliphatic amine salts
  • aromatic amine salts aliphatic amine salts
  • aromatic amine adducts aromatic amine salts
  • Suitable accelerators include Diuron, Monuron, Fenuron, Chlortoluron, toluenediisocyanate bis-urea and other substituted homologs.
  • the adhesives suitable for composite materials can also be chosen from the group consisting of thermoplastic resins.
  • thermoplastics we can distinguish between high-performance plastics, engineering plastics and standard plastics. Most of the thermoplastics used in composite materials are high performance plastics or engineering plastics. These plastics differ from standard plastics in particular by greater wear resistance and chemical resistance.
  • Thermoplastics depending on their nature, can be hard in amorphous form or in crystalline form.
  • thermoplastics commonly used in composite materials are polyetherimides (PEI), polyethersulfone (PES), and polysulfones (PSU).
  • PEI polyetherimides
  • PES polyethersulfone
  • PSU polysulfones
  • thermoplastics used in composite materials include polyamides (PA), poly(ethylene terephthalate), polyphthalamide (PPA), poly(phenylene sulfide) (PPS), and polyetheretherketone ( PEEK).
  • PA polyamides
  • PPA poly(ethylene terephthalate)
  • PPA polyphthalamide
  • PPS poly(phenylene sulfide)
  • PEEK polyetheretherketone
  • Each chip has been shaped so that it has an orientation of the majority of the fibers it contains, parallel to the faces of the chip.
  • the fibers can have a significant length and a controlled orientation in the chip.
  • the length and orientation of the fibers in the chips, and the arrangement of the chips in the part give it high mechanical properties.
  • the chips are in particular obtained by cutting into elements made of composite material based on carbon fibers to be recycled, as explained in more detail below.
  • the formation of a part in accordance with the invention therefore allows the recycling of such elements, according to a low-polluting mechanical process, while offering good mechanical performance to the formed part.
  • the faces of each chip can have a surface, called surface of the chip, of at least 1 cm 2 .
  • the chips may have a much greater surface area, for example of the order of 3cm 2 , 5cm 2 , 10 cm 2 , or 20 cm 2 , 100 cm 2 .
  • the chips formed and used in the context of the present invention thus have a large surface area, allowing the inclusion of carbon fibers of great length since the latter extend substantially parallel to the opposite faces of the chip.
  • the bonding interface between each chip and the matrix may not present an inflection point, over the entire surface of the chip.
  • the interface can be substantially planar over a majority of the surface of the chip.
  • each chip which includes carbon fibers in a cured adhesive, before inclusion in a die to form the composite material part.
  • Each chip advantageously has a small thickness (e) compared to its other dimensions.
  • a chip thus being an essentially two-dimensional part, of small thickness, its other dimensions typically correspond to the largest dimension (d) measurable at the surface of the chip and to the dimension measured perpendicularly, also at the surface of the chip.
  • the ratio (e)/(d) is between 0.05 and 0.0005, preferentially between 0.01 and 0.001 and even more preferentially between 0.005 and 0.001.
  • the carbon fibers advantageously mainly extend in parallel planes.
  • the chips may have a unidirectional arrangement of carbon fibers.
  • the chips can be oriented so that the carbon fibers of the part are substantially oriented in the same direction.
  • the chips can be oriented so that the carbon fibers of the part are substantially oriented in two distinct directions only, for example a first direction and a second direction forming an angle of 90° between them.
  • the shavings are advantageously arranged in the part in a repeating pattern.
  • a pattern corresponds to a particular relative arrangement of several chips.
  • a pattern corresponds in particular to a non-random arrangement, which is generally repeatable in the part which is formed.
  • the carbon fibers present in each chip are arranged in sheets each having a weaving of carbon fibers.
  • each chip can all have substantially the same shape and the same dimensions.
  • each chip is substantially rectangular in shape (i.e., the faces of each chip are substantially rectangular).
  • the two-dimensional shape of the chips is thus a parameter that can be optimized to improve the mechanical properties of the part, and/or to adapt to the shape of the elements to be recycled.
  • the thickness of the chips can for example be between 200 ⁇ m and 1 mm.
  • the invention also relates to a part made of composite material comprising fibrous zones, formed by the shavings and representing between 20% and 85% by volume of the part, and non-fibrous zones, consisting of the added adhesive and hardened during the second hardening, forming the rest of the part.
  • the invention also relates to a part made of composite material comprising:
  • zones comprising carbon fibers and a first adhesive, the carbon fibers having a non-random orientation within the same zone, said zones comprising carbon fibers having a substantially constant thickness defined between two opposite parallel faces , and all of the carbon fibers of said zones comprising carbon fibers being oriented along substantially parallel planes, and
  • the carbon fibers of said zones being oriented along substantially parallel planes
  • the carbon fibers present in said zones are oriented along substantially parallel planes, and this, from one zone to another.
  • the plurality of zones comprising carbon fibers and a first adhesive being at least partly included in the at least one zone devoid of carbon fiber comprising a second adhesive
  • the second adhesive of the at least one zone devoid of carbon fiber encompasses at least 75%, preferably at least 80%, even more preferably at least 85% such as for example 90%, of the surface of the plurality of areas comprising carbon fibers and the first adhesive.
  • a sectional view of a part made of composite material according to the invention makes it possible to visualize the plurality of zones comprising carbon fibers (the striated light gray parts visible on FIG. 5, the streaks being the carbon fibers) and at least one zone devoid of carbon fibers (dark gray part).
  • the zones comprising carbon fibers can also be distributed in the part made of composite material according to a pattern.
  • the zones comprising carbon fibers represent between 20% and 85% by volume of the part.
  • the areas comprising carbon fibers, also called fibrous areas, are in fact the chips included in the part made of composite material.
  • the first adhesive is identical to the second adhesive, the first adhesive having been hardened before the second adhesive.
  • the first and the second adhesive are different.
  • the carbon fibers can be oriented substantially parallel, orthogonal and/or at 45° within the same zone.
  • the composite material part can, for example, be a flat or curved panel.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a part made of composite material, said method comprising the steps of
  • each chip having a substantially constant thickness defined between two opposite parallel faces of the chip, each chip comprising carbon fibers at least partly included in an adhesive hardened during a first hardening, at least one majority of said fibers of the chip extending substantially parallel to said opposite faces of the chip;
  • - positioning of the shavings so as to constitute a tangle of shavings i.e. a superposition forming an interweaving and/or an intermingling of the shavings
  • second hardening - hardening of the liquid adhesive
  • the invention finally relates to a part made of composite material capable of being obtained by such a process.
  • FIG. 1 schematically represents, according to a block diagram, a method in accordance with one embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents, in a photograph, a so-called random arrangement of chips that can be implemented in the context of the present invention
  • FIG. 3 shows, in a photograph, a so-called unidirectional arrangement of chips that can be implemented within the scope of the present invention
  • FIG. 4 schematically represents a so-called bidirectional arrangement of chips that can be implemented in the context of the present invention
  • FIG. 5 represents, in the form of a photograph, a section of a part made of composite material according to one embodiment of the invention, at a magnification x50;
  • FIG. 1 schematically represents, according to a block diagram, a method in accordance with one embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents, in a photograph, a so-called random arrangement of chips that can be implemented in the context of the present invention
  • FIG. 3 shows, in a photograph, a so-called unidirectional arrangement of chips that can be implemented within the
  • FIGS. 7a, 7b and 7c illustrate an aspect of a panel made according to an embodiment of the invention in which the arrangement of the chips is made according to a non-random pattern
  • FIGS. 8a and 8b illustrate an aspect of another panel made according to an embodiment of the invention in which the arrangement of the chips is made according to a non-random pattern
  • FIGS. 9a and 9b illustrate an aspect of yet another panel produced according to an embodiment of the invention in which the arrangement of the chips is carried out according to a non-random pattern.
  • FIG. 1 schematically represents, according to a block diagram, a process in accordance with an embodiment of the invention, making it possible to obtain parts made of composite material in accordance with an embodiment of the invention.
  • the method implements the steps described below.
  • the implementation of the present invention requires the formation of chips from the composite material elements based on carbon fibers which are to be recycled.
  • the chips are obtained by mechanical cutting of said elements.
  • the cutting of the chips can be carried out using a cutting machine such as a blade device.
  • the blade device may be a planer type system.
  • a plane-type system corresponds to a cutting machine comprising a blade making it possible to separate thin slices of regular thickness from the surface of an element over which it is passed.
  • the blade of the blade device When an item is cut to form chips, the blade of the blade device is positioned, conventionally, so that its edge runs in a plane parallel to the direction of cutting.
  • the material to be cut is positioned in the cutting machine according to the organization of the carbon fibers it contains.
  • the fibers in the material to be cut are unidirectional, i.e. included in a matrix substantially parallel, in only one direction, then the fibers are positioned parallel to the direction of advance of the blade device.
  • the part will preferably be placed so that the weft or warp threads are substantially parallel to the direction of advance of the blade device.
  • the fibers can also be arranged in a succession of layers, each layer comprising unidirectional fibers, but the layers having different fiber orientations. This is for example the case for so-called “four-way” materials, the layers of which may have the following successive relative orientations: 0° (reference layer), 90°, 45°, -45°.
  • the blade device can advantageously be adjusted so that its blade attacks the element between two layers of fibers, whether they are two layers of unidirectional fibers or two woven webs.
  • the cutting plane will advantageously be maintained between the layers of fibers in order to preserve their integrity as much as possible.
  • Thin slices of composite material are thus obtained. These slices may in particular have a thickness of between 200 ⁇ m and 1 mm, preferably between 200 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the elements to be cut are made to the desired length for the chips before being cut into slices by the cutting machine, so that the chips having the desired length are obtained directly from the cutting machine.
  • the slices are then recut to obtain chips.
  • they are cut transversely by any suitable cutting means, for example by sawing, in order to form fine rectangular shavings of regular length. Other shapes of shavings can of course be cut from the slices obtained.
  • chips of 10 cm to 20 cm in length have been obtained and have made it possible to obtain very good results in terms of mechanical performance, as exemplified below.
  • Greater lengths can also be implemented, such as around 50 cm, or even 1 m.
  • the material to be recycled is a pre-coated but uncured carbon fiber fabric
  • this material is first cured (polymerized for a material coated with a thermosetting resin) and then cut to the desired shape of the chip.
  • a fabric generally having a thickness of between 200 ⁇ m and 500 ⁇ m, the chip thus obtained has a thickness that is entirely suitable for being implemented according to the present invention for the formation of a part, in particular molded, in composite material.
  • the chips are therefore in the form of fine elements comprising carbon fibers included, at least in part, in a hardened resin.
  • the chips are therefore in the form of substantially two-dimensional parts (in that their thickness is very small compared to its other dimensions).
  • the surface of the chips is advantageously at least 1 cm 2 , and preferably greater than 3 cm 2 , of the order of 10 cm 2 , or even greater, for example up to approximately 100 cm 2 .
  • the carbon fibers are oriented in the cured resin of the chips. Preferably, they are substantially parallel, orthogonal to each other, and/or oriented at 45° to each other.
  • the fibers of the chips having a substantially constant thickness, they have two opposite faces (between which the thickness is defined).
  • the cutting of the chips is carried out in such a way as to keep the carbon fibers intact as much as possible.
  • the cutting of the chips is carried out so that the fibers (in their majority, even in their quasi totality or their totality) extend parallel to the opposite faces of the chips.
  • the fibers thus extend in planes parallel to the general plane of extension of the chip, and can have a great length despite the low thickness of the chips.
  • “Majority” means more than 50% in number
  • the shavings are then mixed with a liquid adhesive in order to coat them, with a view to molding them.
  • This step can be carried out before placing the chips in the mold intended to form the desired part, or during or even after placing them in the mold.
  • the chips are mixed with an adhesive before being placed in a mold.
  • the mixture can be done manually in a suitable container, for example aluminum.
  • step S3 The chips are first weighed into the container (step S3), then the adhesive (e.g. a resin/hardener system, see below) is prepared (step S4) and added. Coating is complete when each chip is evenly covered with adhesive.
  • the adhesive e.g. a resin/hardener system, see below
  • the addition of the adhesive and the mixing between the chips and the adhesive can be done in an automated way.
  • An automatic mixer can be used to stir the chips and adhesive.
  • the quantity of adhesive to be added to the chips is determined according to the characteristics of the part (for example of the panel) that is to be produced.
  • the amount of adhesive to be added depends, for example, on the volume or mass percentage of shavings desired in the final material, to obtain the desired mechanical properties, and on the adhesive used, in particular its density.
  • the masses applied are also determined by the thicknesses of the panels to be obtained.
  • the proportion of chips in the material should be maximized.
  • the Applicant has produced parts containing up to 80% mass percentage of chips, and estimates that parts containing up to 85% mass percentage of chips, or even slightly more, can be produced successfully.
  • Various adhesives can be used successfully. In general, all the adhesives known to be used as a matrix in composite materials comprising carbon fibers can be used, with the possible exception of adhesives which would be incompatible with the hardened adhesive present in the chips.
  • Two-component epoxy systems consist of an epoxy resin and a hardener.
  • the polymerization time is variable depending on the nature of the system used.
  • the first two-component epoxy system mentioned by way of example is the system marketed by the company SIKA under the name ADEKIT H9011 (ADEKIT is a registered trademark).
  • This system is a common system and can be used, according to the recommendations of its manufacturer, for bonding applications of many metals, ceramics, glass, rubber, rigid plastics, or even the bonding of common materials. It is suitable for most home industrial applications.
  • the resin is light amber in color, with a density at 25°C of 1.16, and a viscosity at 25°C of 25 to 50 Pa.s.
  • the hardener is amber in color, with a density at 25°C of 0.96 and a viscosity at 25°C of 20 to 40 Pa.s.
  • the mixture of the two is light amber in color, with a density at 23° C. of 1.07 after polymerization, and a viscosity at 25° C. of 25 to 50 Pa.s.
  • the proportions of mixture by mass of the resin/hardener mixture are 100/80, the proportions by volume at 25° C. are 100/100.
  • the time during which the mixture is usable after bringing the two components into contact (generally designated by the English expression “pot-life”, and which is given for a given mass and temperature) on 110 g at 25° C. is 100 minutes.
  • the transparency of the adhesive once hardened makes it possible to see the chips in the final part.
  • the second two-component epoxy system mentioned by way of example is a system marketed by the company SICOMIN under the name “EPOXY RESIN SR 1700 + STANDARD HARDENER SD 2803”. This system is a common system and can be used, according to the recommendations of its manufacturer, for lamination applications in various fields such as boating, bodywork and model making.
  • the mixture has a viscosity at 20° C. of 0.6 to 0.7 Pa.s.
  • the mass mixing proportions of the resin/hardener mixture are 100/39, the volume proportions are 100/45.
  • the time during which the mixture can be used after bringing the two components into contact (generally designated by the English expression “pot-life”, and which is given for a given mass and temperature) on 500 g at 20° C. is 120 minutes.
  • many adhesives are useful for forming parts according to various embodiments of the invention. In particular, systems intended for composite production applications (resins for infusion, injection, lamination) but also systems intended for structural applications as adhesives.
  • the systems can in particular have a density of between 1.03 and 1.38 at 25°C.
  • Their dynamic viscosity can in particular be between 0.4 and 80 Pa.s.
  • they may have a modulus of elasticity (once hardened) of between 2 GPa and 4 GPa.
  • the polymerization of these adhesives can be done at room temperature or at higher temperature, around 70°C.
  • the polymerization times being significantly different depending on the thermosetting adhesive system, the choice of the system can also depend on this time, depending on the mechanical properties and the desired cycle times.
  • the adhesive can be thermoplastic.
  • each adhesive has a particular color and transparency (or opacity). This can be leveraged to achieve the desired look for the final piece.
  • Additives can also be added to the adhesive, for example to the glue/hardener mixture, before coating the chips.
  • the additive(s) may comprise dyes, pigments, pigment pastes (pigments already mixed with a resin).
  • a significant coloration of a transparent resin could be obtained by mixing only 0.94% paste relative to the mass of the resin/hardener mixture. This proportion was enough to give a very opaque color to the mixture. The color is visible on the parts, for example the panels, obtained after molding.
  • the additive(s) may also include fillers.
  • Fillers refer to all the particulate elements that can be added to the adhesive to modify its properties, and/or to lower the cost for the same volume.
  • the fillers considered include in particular mineral or organic particles capable of improving certain properties of the final part, in particular its resistance to scratching or abrasion.
  • fillers are most often of a mineral nature (aluminum fillers, calcium fillers, etc.) in the form of particles whose size is of the order of magnitude of a nanometer or a micrometer.
  • the adhesive may also include glass microbeads.
  • the filler used may also include carbon dust, for example from the preparation and cutting operations of the elements to be recycled. In this case, it is therefore an organic load.
  • the mixture of chips and adhesive is then molded.
  • adhesive is optionally used to make a topping (step S6) of the mold.
  • topping makes it possible to produce a layer of resin on the surface and gives the part produced a good surface finish, for example smooth or corresponding perfectly to the surface finish provided by the mould.
  • overmolding can be done.
  • resin is injected into the mold to cover the molded part, and obtain an effect similar to that of topping.
  • the high injection pressure during overmolding can make it possible to add functional elements to the surface of the molded part (grooves, notches, rails, etc.) or to create the desired surface appearance.
  • a gel-coat (which can be translated as gel coat) can be applied to the mould.
  • a top-coat (which can be translated as finishing coat) can be applied to the part once it has been molded.
  • the mold used comprises a concave part, called female cavity, and a part forming a corresponding male cavity.
  • the topping is made on the surface of the female impression and on the surface of the male impression.
  • the area of the female indentation is equal to that of the male indentation, and the following rule can be used.
  • the adhesive can be deposited on the surface of the male cavity or on the chips once they have been placed in the female cavity, as described below.
  • the amount of glue to be used is 68 g and the excess glue is 5 g
  • the amount of glue for the topping will be 9.3 g for each side, i.e. 18.6 g in total .
  • the glue can be applied using a flexible applicator, or sprayed onto the walls to be covered. Depending on the scale of production, this step can be performed by an operator or automated.
  • a release agent can be applied to the internal surface of the mold to facilitate the extraction of the part once it has been formed.
  • the shavings When the shavings have been mixed with the adhesive, they should be placed in the female cavity of the mold, then the molding under press can be finalized.
  • the placement of the chips can be carried out manually, using templates or visual cues (for example guides formed by a laser), or automated.
  • the chips covered with adhesive are placed in the female cavity of the mold, on an extraction plate.
  • the extraction plate allows the panel to be extracted from the mold after the pressing action. It can also be used to adapt the thickness of the panel being formed (several thicknesses can be made in the same mold by varying the thickness of the extraction plate). If an extraction plate is used, it then forms the internal surface of the mold and it will therefore be the extraction plate which will be coated with adhesive, if necessary, and beforehand with release agent, also if necessary.
  • the step of arranging the chips (step S7) in the mold can be important for the mechanical properties of the panel (or more generally of the part) which is formed. Starting from the assumption that the chips have unidirectional carbon fibers, the chips can be arranged in the mold according to three main types of distribution.
  • a first arrangement is said to be random.
  • random it is understood that the chips are arranged according to various orientations, and are superimposed on each other in an irregular manner.
  • An example of a so-called random arrangement is represented in FIG. 2.
  • FIG. 2 more precisely represents the surface of a flat panel according to an embodiment of the invention in which the chips have a so-called random arrangement.
  • the chips used here are rectangular.
  • a panel with a random 1 chip arrangement is generally substantially isotropic in the plane in which it extends, as far as its mechanical properties are concerned.
  • the Applicant has nevertheless found that the volumes left free by the superposition of the chips should be minimized, in particular for thin panels (typically less than or equal to 2 mm) .
  • a second arrangement is said to be unidirectional.
  • An example of a so-called unidirectional arrangement is shown in Figure 3.
  • the chips are all arranged in the same direction (A), that is to say that the carbon fibers contained in the different chips are all substantially oriented in the same direction.
  • An angle tolerance of the order of plus or minus 10°, is acceptable. This tolerance is measured according to the angle a formed between the theoretical direction (A) of the chips 10 and the direction of general extension of each chip (typically the direction along the length of the chip, for a rectangular chip). It is also permissible for a maximum of 10% of the chips to deviate from the desired orientation and angle tolerance.
  • the chips 1 are therefore oriented in the same way, but without being strictly organized with respect to each other according to a structure which may induce weaknesses in the panel.
  • This arrangement makes it possible to obtain an anisotropic panel as regards its mechanical properties.
  • These properties in particular the resistance to bending and the resistance to rupture, are very important in the direction (A) of alignment of the chips and the fibers, to the detriment of the direction orthogonal (B) to the fibers.
  • a third arrangement is called multidirectional, such as, for example, bidirectional.
  • FIG. 4 An example of a so-called bidirectional arrangement is shown in FIG. 4. It consists of making several plies (each comprising one or more layers of chips) with different chip orientations between adjacent plies. For example, with rectangular chips, it is possible to alternate the plies, with an arrangement of the chips of one ply at 90° to the chips of the adjacent plies.
  • a bidirectional layout can therefore be defined as a stack of unidirectional layers as described previously.
  • Figure 4 partially two folds (that is to say that only certain chips of each fold are represented to illustrate the superposition of the chips), namely an upper fold in which the chips are oriented according to a first direction (x), and a lower ply in which the chips are oriented in a direction (y) orthogonal to the direction (x).
  • the chips of the flat panel taken here as an example are positioned parallel to the (x,y) plane.
  • any multidirectional arrangement can be envisaged.
  • the provisions presented above relate to a thin flat panel.
  • a part having a large thickness for example a cube
  • the arrangement of the chips when it is not purely random, can be such that the chips form a particular pattern which is repeated to form the panel (or more generally a part).
  • a pattern corresponds to a particular arrangement of several chips together in three dimensions.
  • the other arrangements envisaged can be considered as the repetition of a pattern of chips.
  • Examples of patterns illustrating the advantages which can be obtained thanks to a non-random arrangement of the chips, are given below (Example III and Example IV)
  • the layout, the geometry, the size of the chips used and the thickness of the plies can be adapted according to the intended application.
  • the longer the chips the better the mechanical properties.
  • the length of the chips that can be formed and used depends on the elements that are recycled, and the new parts formed, and in particular on their geometric complexity (it is quite obvious that it is easier to integrate chips of large length in a large flat panel than in a curved part, with complex geometry, and/or presenting many geometric details).
  • it is advantageous to implement chips whose largest dimension, such as the length is between 3 and 20 cm.
  • the plies forming the external surfaces of the part have their chips 11 oriented longitudinally, that is to say in the direction of main extension of the part, or if this direction cannot be determined, in an arbitrarily fixed direction, and the inner ply, or one inner ply out of two, has its chips 12 oriented transversely (that is to say perpendicular to the chips oriented longitudinally).
  • the thicknesses of each ply it is also possible to vary the performance of the panel in these two directions.
  • each ply can comprise one or more layers of chips.
  • the mold is closed by positioning the male cavity (mold closing step S8).
  • the mold is installed in a press, which is activated to put the contents of the mold under pressure (pressure molding step S9).
  • Panel prototypes were made by applying a force of 20 tonne-force (about 1600 daN). Substantially less pressure could nevertheless suffice.
  • a thermosetting resin is used, polymerization can take place at room temperature.
  • the mold can be heated to accelerate the polymerization.
  • two heating plates can be used, on either side of the mould.
  • a closed loop control for example of the PID type (proportional, integral, derivative) can be used.
  • the part is demolded when the adhesive has hardened sufficiently to make the part handle without deformation (demolding step S10). Polymerization is not however, not necessarily completely complete during demoulding. This frees up the press for other castings.
  • step S11 In order to finalize the hardening of the parts (step S11), they can be placed in an oven, typically at 70°C.
  • the polymerization time is 16 hours at 70°C.
  • the complete polymerization of this adhesive takes about a week at room temperature.
  • the method described above thus makes it possible to obtain molded parts in composite material formed from elements in composite material based on carbon fibers which it is desired to recycle.
  • the method described above implements a molding of the part.
  • other shaping techniques can be used.
  • a pultrusion process or a calendering process can be used.
  • the chips are coated and oriented in a nozzle and come out of said nozzle with the desired arrangement in a resin during (second) hardening.
  • Pultrusion can be used, in particular, to obtain very long parts (beams, panels, etc.).
  • a mass of adhesive during polymerization and including the correctly arranged chips passes through the roller gap in order to form a thin part, for example a thin panel.
  • FIG. 5 represents, in the form of a photograph, a section of a part made of composite material according to one embodiment of the invention, at a magnification x50.
  • Figure 5 shows the section of a flat panel comprising chips 1 positioned parallel to each other and included in a matrix 2.
  • the chips 1 in Figure 5 are rectangular chips, which are arranged unidirectionally according to a longitudinal direction.
  • the cut made is a longitudinal section of the panel, perpendicular to the plane in which said panel extends.
  • the shavings 1 appear as striated light gray parts, the streaks corresponding to carbon fibers 3, the areas inside the shavings located between the carbon fibers 3 corresponding to the adhesive hardened during a first hardening.
  • Matrix 2 which is formed of an adhesive cured during a second cure, and in which the chips 1 are included, corresponds to the areas devoid of carbon fibers which appear in dark gray in Figure 5.
  • Chips 1 remain distinct from matrix 2, so that a connection interface between each chip 1 and matrix 2 is perceptible.
  • FIG. 5 thus makes it possible to visualize that each chip is an essentially two-dimensional element of small thickness e.
  • the thickness e of the chip is measured between the two parallel faces 4 of the chip 1 (the thickness being, conventionally, the smallest distance between the faces 4, that is to say measured perpendicular to these faces 4) .
  • the tests were carried out on prototype plates measuring 23 cm by 23 cm and having a thickness of between 3.5 mm and 3.6 mm.
  • the shavings used in the tests presented here come from composite material elements comprising carbon fibers in a unidirectional arrangement included in an adhesive of the epoxy resin type.
  • the elements used come from the aeronautical industry.
  • the composite material had identical or similar characteristics to the “UD carbon plate” material, the characteristics of which are indicated in table 1 below.
  • the chips used are rectangular, and have a length I of 100 mm, a width b of 9 mm and a thickness of between 0.3 mm and 0.5 mm.
  • the plates are produced according to a method as described above with reference to FIG.
  • the mold is coated with a release agent and coated under the conditions described above.
  • the adhesive used is the ADEKIT H9011 system used according to the recommendations of its manufacturer, mentioned above.
  • the chips are manually positioned in the mould.
  • the ratio of chips to adhesive is, unless otherwise specified, 65/35 by mass in the finished plate.
  • the molding is carried out under a press, by applying a force of 20 ton-force, and by controlling the temperature at around 70°C. After demoulding, the plates are kept for one week at room temperature (20°C) before being used for measurements.
  • the "UD carbon plate” corresponds to a plate of a composite material based on new unidirectional carbon fibers.
  • the "bidirectional carbon plate” corresponds to a plate of a composite material based on new carbon fibers organized in a bidirectional manner, that is to say with an alternation, in equal number, of layers having longitudinal fibers and layers with transverse fibers.
  • the "UD1 Plate” and “UD2 Plate” correspond to composite material plates in accordance with embodiments of the invention, obtained as described above, and whose chips, and therefore the fibers, are positioned according to an arrangement unidirectional.
  • the "BD1 Plate” corresponds to a material with a bidirectional arrangement of chips and fibers, i.e. the plate tested has two external plies (forming the external surfaces of the part) in which the chips, and therefore the fibers, are positioned in a unidirectional longitudinal arrangement, and an internal ply in which the chips, and therefore the fibres, are positioned in a unidirectional transverse arrangement.
  • the inner ply has a thickness measuring twice the thickness of each outer ply.
  • the "BD2 Plate” corresponds to a material with a bidirectional arrangement of chips and fibers, namely that the plate tested has two external plies in which the chips, and therefore the fibers, are positioned according to a longitudinal unidirectional arrangement, and a ply internal in which the chips, and therefore the fibers, are positioned in a transverse unidirectional arrangement.
  • the internal ply has a thickness measuring approximately six times the thickness of each external ply (which provides isotropic behavior in these longitudinal and transverse directions to the panel under reference Plate BD2).
  • the flexural modulus and the breaking stress of the UD2 Plate (with 65% of chips by mass) is significantly higher than 50% of the values obtained for the reference Carbon UD Plate, i.e. a composite material based on of comparable new unidirectional fibers (from which the chips used can be extracted).
  • the flexural modulus obtained, in the longitudinal direction is equal to 57% of the flexural modulus of the comparable unidirectional material based on carbon fibers. new.
  • the BD2 Plate offers a similar result. Indeed, in both longitudinal and transverse directions, the flexural modulus and the breaking stress of the BD2 Plate is significantly greater than 50% of the values obtained for the Bidirectional Carbon Plate.
  • the BD1 Plate offers a flexural modulus identical to the reference Bidirectional Carbon Plate in the longitudinal direction (and therefore a performance superior to the new panel in this direction, at the same mass), at the cost of a lower performance in the transverse direction.
  • the invention therefore makes it possible to obtain a recycled material which has approximately 70% of the mechanical performance, in particular 70% of the flexural modulus, and (up to 75% to 80% of the performance at identical masses) of comparable materials based on new fibers. , with a simple manufacturing process, and having a low environmental impact compared to chemical or thermal recycling processes.
  • FIG. 6 represents the flexural modulus of a panel in accordance with an embodiment of the invention, the chips of which are organized in a unidirectional manner, and that of a panel containing new carbon fibers oriented unidirectionally.
  • the flexural modulus is plotted on the ordinate.
  • the abscissa shows the angle at which the measurement is made.
  • An angle of 0° corresponds to the direction of extension of the fibers or chips, and 90° corresponds to the direction transverse to the fibers and/or chips.
  • the triangles correspond to the measurements taken on a plate of a material in accordance with one embodiment of the invention, the shavings of which, formed on the basis of elements comprising unidirectional carbon fibers, are organized in a unidirectional manner, of which the modulus of bending measured in the direction of extension of the chips and the fibers they contain, is 47 GPa.
  • the circles represent the theoretical bending moduli calculated for an equivalent plate, formed in a composite material based on new unidirectional carbon fibers whose bending modulus in the direction of the fibers it contains would be 47 GPa.
  • This example concerns the formation of a panel using two different non-random patterns of chips, each pattern making it possible to form a layer of chips, the layers of chips formed according to the two patterns being arranged alternately in the panel.
  • the mechanical properties given in the following table have been determined for a laminated panel having the dimensions: 230 mm ⁇ 230 mm ⁇ 4 mm, formed according to a so-called “semi-random” arrangement of chips.
  • the chips are placed in the mold manually, in order to obtain a good filling of the mold, without however making a particular or repetitive pattern.
  • chips having dimensions of 60 mm x 60 mm x 0.4 mm were used.
  • the chips are obtained by cutting a composite material incorporating woven carbon fibers, arranged in layers of fabrics. The cutting to form the chips is carried out as much as possible between the layers.
  • the coefficient of variation CV is the ratio of the standard deviation to the mean, expressed as a percentage. The higher the value of the coefficient of variation, the greater the dispersion around the mean.
  • the bending properties measured therefore show significant variations between the different prototypes made. It is noted in particular that the coefficients of variation are much greater than 10% for the mechanical properties.
  • a laminated panel of the same dimensions (ie 230 mm ⁇ 230 mm ⁇ 4 mm) was then formed, with chips obtained in the same material as for the reference panel, and of the same thickness.
  • FIG. 7a represents a first pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • the reference of the chips used (A to H according to the list above) is indicated at the level of each chip represented.
  • FIG. 7b represents a second pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • the reference of the chips used (A to H according to the list above) is indicated at the level of each chip represented.
  • the chips are placed in the mold by alternating the layers of the first pattern and the layers of the second pattern.
  • FIG. 7c represents the superposition of a layer of first pattern (in dotted lines) and of a layer of second pattern (in solid line).
  • this panel The idea behind the formation of this panel is to ensure that an abutment zone between two chips, which can constitute an area of mechanical weakness, is always sandwiched between two chips.
  • the ply thickness is an important parameter in the formation of a laminate (whether it is recycled or not). Having a constant chip thickness therefore makes it possible to control the thickness of a ply, the layout, the thickness of the panel (or part) formed as well as its mechanical properties.
  • Example 4 laminated panels with plies made with a pattern of chips with unidirectional carbon fibers
  • This example also relates to the formation of a panel using two different non-random patterns of chips, each pattern making it possible to form a layer of chips, the layers of chips formed according to the two patterns being arranged alternately in the panel.
  • the mechanical properties given in the following table have been determined for a laminated panel having the dimensions: 230 mm ⁇ 230 mm ⁇ 4 mm, formed according to a so-called “semi-random” arrangement of chips.
  • the chips are placed in the mold manually, in order to obtain a good filling of the mold, without however making a particular or repetitive pattern.
  • the chips are obtained by cutting a composite material incorporating unidirectional carbon fibers.
  • the chips used have the dimensions: 100 mm x 10 mm x 0.4 mm.
  • the adhesive and the conditions for obtaining the panel are similar to those described in Example I.
  • the bending properties (determined by a 3-point bending test, according to the ISO 14125: 1998 standard) as well as the thickness of the prototype panels thus formed are summarized in Table 4 below.
  • Panels (panels 1 and panels 2) were formed, as explained below, with chips having the following dimensions:
  • FIG. 8a represents a first pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • FIG. 8b represents a second pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • the panel 1 is formed by alternately superimposing layers of chips according to the pattern of FIG. 8a and according to the pattern of FIG. 8b.
  • FIG. 9a represents a first pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • FIG. 9b represents a second pattern according to which the chips are arranged, edge to edge, to form a layer of 230 mm by 230 mm.
  • Arrangement 1 makes it possible to obtain panels which have mechanical characteristics equivalent to those of the reference panels, with nevertheless a higher variation as regards the breaking stress in bending. A much lower rate of variation of the thickness of the panel is obtained with a non-random device.
  • the fact of using a non-random pattern (or non-random patterns) to produce the panel thus makes it possible to limit the dispersions in thickness of the panels produced. Indeed, although the panels presented above all have the same number of plies, a "semi-random" arrangement of the chips leads to overlapping of certain chips in the same ply. This results in a greater thickness of the panel, and also a greater variation in the thickness from one panel to another.
  • Panels 2 perform much better in bending with similar variations compared to the semi-random layout, i.e. more than 25% higher flex modulus and 15% higher flexural modulus compared to the reference panel, while panel 2 is thinner, for the reasons explained above.
  • Examples III and IV thus show, in general, that the use of a non-random, repetitive pattern can make it possible to improve the mechanical characteristics of the parts formed according to the present invention. This also allows for less variation in part characteristics. Since the characteristics obtained are better controlled, stable and predictable, the most accurate dimensioning of the parts can be achieved.

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Abstract

L'invention porte sur une pièce en matériau composite comportant - des copeaux (1), chaque copeau (1) ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces (4) opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone (3) au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d'un premier durcissement préalable à la formation de ladite pièce, au moins une majorité desdites fibres du copeau s'étendant sensiblement parallèlement auxdites faces (4) opposées du copeau et - une matrice (2) dans laquelle chaque copeau (1) est inclus au moins en partie, ladite matrice (2) étant formée d'un adhésif durci lors d'un deuxième durcissement, de sorte qu'une interface de liaison est formée entre la matrice (2) et chaque copeau de la pièce.

Description

Pièce en matériau composite recyclé et procédé de fabrication
La présente invention concerne le domaine du recyclage des matériaux composites, en particulier des matériaux composites comportant des fibres de carbone.
Les matériaux composites à base de fibres de carbone sont utilisés dans de nombreux domaines techniques pour leurs propriétés mécaniques, notamment de résistance et de légèreté. Ils sont notamment couramment utilisés dans le domaine aéronautique, dans l’automobile, le nautisme, mais aussi dans le domaine de la construction, de l’énergie, etc. Les matériaux composites à base de fibres de carbone comportent, de manière générale, des fibres de carbone incluses dans une matrice.
Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour fabriquer des fibres de carbone, le principe étant un dépôt de carbone à très haute température, soit à partir de papier ou de viscose (fibres « ex-cellulose »), soit à partir de polyacrylonitrile (fibres « ex-PAN »), soit à partir de résidus du pétrole ou de charbon (fibre « ex-brais »).
Les fibres de carbone sont incluses dans la matrice selon une orientation donnée, par exemple de manière unidirectionnelle, ou sous la forme de nappes de fibres tissées.
Concernant la matrice, généralement, elle est constituée d’un polymère ou elle comporte essentiellement un polymère. La matrice peut également être appelée « adhésif », ou encore « résine » (la matrice étant généralement un polymère). De manière bien connue, la matrice peut être de nature thermoplastique ou thermodurcissable. Des colles de nature analogue peuvent être utilisées de la même manière dans le cadre de la présente invention. Ainsi, sauf s’il en est disposé autrement, les termes « matrice », « colle », « adhésif » et « résine » sont considérés comme synonymes dans le présent document.
Les polymères thermodurcissables subissent une réaction chimique appelée réticulation lors de la mise en forme du matériau composite. Cette réaction génère des liaisons chimiques et est irréversible. Il est généralement admis que les polymères thermodurcissables les plus performants pour former un matériau composite à base de fibres de carbone sont les polyépoxydes (dits « époxy »).
Les polymères thermoplastiques sont des polymères qui, au-delà d’une certaine température, appelée « température de transition de phase », inférieure à leur température de dégradation thermique, deviennent visqueux et peuvent ainsi être mis en forme. Lorsque la température descend en-dessous de cette température de transition de phase, le polymère durcit et retrouve sa raideur initiale. Ce durcissement est réversible, en chauffant de nouveau le polymère. Les polymères thermoplastiques les plus courants sont le polyéthylène (PE), le poly(téréphtalate d’éthylène) (PET) ou le polycaprolactame (PA-6). Pour certaines applications, des polymères thermoplastiques spéciaux peuvent être utilisés, tels le poly(éther-éther-cétone de phénylène) (PEEK), le poly(sulfure de phénylène) (PPS), ou le polyetherimide (PEI).
Les applications des matériaux composites à base de fibres de carbone étant nombreuses et de plus en plus répandues, la question du recyclage de ces matériaux se pose. Outre le fait que les quantités de matériaux pouvant être recyclés augmentent, ces matériaux composites sont des matériaux de grande valeur (en grande partie du fait qu’ils contiennent des fibres de carbone), dont la valorisation peut se révéler économiquement pertinente.
Le recyclage peut concerner des éléments en matériau composite en fin de vie ou ayant subi un endommagement, des éléments fabriqués mais ne répondant pas ou plus à certains standards requis pour l’usage auquel ils sont destinés (en particulier dans le domaine aéronautique ou spatial), ou encore, plus rarement, des éléments non utilisés à une certaine date.
Pour recycler des matériaux composites renforcés avec des fibres de carbone, trois grandes catégories de méthodes ont été développées : le recyclage dit mécanique, le recyclage dit chimique et le recyclage dit thermique.
Le recyclage mécanique consiste, dans son principe, à fractionner et à broyer des pièces en matériau composite existantes pour dissocier au moins en partie les fibres de la résine, de sorte à obtenir des fibres plus ou moins longues qui peuvent être réutilisées comme renfort dans de la résine neuve. Les particules peu fibreuses issues du broyage, qui se présentent sous forme de poudre, peuvent être mêlées à une résine lors de la formation d’un nouvel élément en matériau composite.
Les morceaux de composite broyés sont utilisés comme éléments de remplissage ou comme renfort dans des pièces moulées, mais ne visent pas réellement à remplacer des fibres de carbone vierges telles qu’utilisées dans les procédés classiques de fabrication d’éléments en composite (à base de matériaux non recyclés).
Dans ce procédé, la poudre obtenue par broyage des matériaux composites à recycler peut être tamisée pour être triée en plusieurs catégories de tailles de particules, sans toutefois que cette taille n’ait une influence significative sur les propriétés mécaniques de l’élément formé ensuite en incluant ces particules.
Globalement, on estime que les propriétés mécaniques (résistance en flexion ou raideur en flexion) d’une pièce obtenue par un procédé de recyclage mécanique de l’état de la technique sont au moins divisées par quatre comparativement à une pièce neuve similaire. Les matériaux composites à base de fibres de carbone recyclées obtenus par des procédés de recyclage mécanique ont donc généralement un usage limité à certains domaines dans lesquels les propriétés mécaniques, rapportées à la masse, n’ont pas besoin d’être très élevées. Ils sont ainsi surtout utilisés dans la construction (bâtiments).
Le recyclage chimique consiste à dégrader chimiquement la résine durcie d’un matériau composite dans le but de récupérer des fibres de carbone présentes dans ce matériau. Les fibres récupérées sont ensuite généralement alignées et/ou filées afin de créer un fil à partir de plusieurs milliers de fibres récupérées. Les propriétés mécaniques des pièces formées en matériaux composites comportant ces fibres recyclées sont largement moindres que celles de matériaux composites comportant des fibres de carbone neuves, non-recyclées. Plusieurs procédés de dégradations chimiques sont connus, notamment la solvolyse classique, la solvolyse « en conditions douces », ou la solvolyse en conditions supercritiques.
Dans un procédé de solvolyse classique, les pièces à recycler sont plongées dans un solvant, à haute température (plus de 200°C) et à haute pression (de l’ordre de 180 bar), pour que la résine soit décomposée. Il peut s’agir par exemple d’acides concentrés (acide nitrique ou acide sulfurique notamment).
Dans un procédé de solvolyse en conditions douces, des températures plus modérées que dans la solvolyse classique, inférieures à 200°C, sont utilisées. Le procédé a lieu à pression atmosphérique (pression ambiante), et des solvants plus doux, comme de l’acétone ou du N,N-diméthylformamide sont utilisés, ainsi qu’éventuellement des catalyseurs comme le peroxyde d’hydrogène ou l’acide peroxyacé tique. Un traitement préalable à l’acide acétique peut également être employé. Ceci étant, la solvolyse en conditions douces présente un rendement de production assez faible.
Dans un procédé de solvolyse en conditions supercritiques, des solvants sont utilisés en conditions supercritiques pour présenter une meilleure diffusivité et une capacité accrue de solvatation. C’est un procédé complexe et onéreux.
Enfin, le recyclage thermique consiste dans son principe à dégrader thermiquement la résine d’un matériau composite pour en récupérer les fibres de carbone. La chaleur peut être apportée par un procédé de pyrolyse, qui consiste globalement à brûler la résine dans un four, par un procédé de lit fluidisé qui utilise l’action combinée d’un solvant et d’une haute température, et enfin par micro-ondes.
Bien que ces procédés soient en voie d’optimisation, les fibres récupérées ont des propriétés mécaniques fortement dégradées comparativement à des fibres neuves. Les fibres récupérées sont généralement courtes, elles doivent être alignées et filées pour être réutilisées dans des applications nécessitant des caractéristiques mécaniques correctes. Sinon, elles sont utilisées en remplissage, comme le sont par exemple les poudres obtenues dans les procédés de recyclage mécaniques évoqués ci-dessus.
En résumé, les différentes techniques connues dans le domaine du recyclage des matériaux composites à base de fibres de carbone consistent à :
- broyer le matériau composite pour utiliser les broyats comme renfort (recyclage mécanique) ;
- ou dégrader la résine pour régénérer des fibres de carbone (recyclage chimique ou thermique).
Mais ces deux solutions ont chacune des inconvénients importants : elles offrent des matériaux ayant de faibles performances mécaniques, et/ou elles sont coûteuses et/ou complexes à mettre en œuvre. Les techniques de recyclage dans lesquelles la résine est dégradée pour récupérer les fibres de carbone ont en outre un coût environnemental important. En effet, elles rejettent la résine dégradée sous forme liquide ou gazeuse. Ces rejets doivent être traités.
La présente invention vise à proposer une pièce en matériau composite obtenue par un procédé de recyclage qui pallie tout ou partie des problèmes mentionnés ci-dessus. En particulier, elle vise l’obtention d’une pièce en matériau composite ayant des propriétés mécaniques élevées, à un coût économique et environnemental maîtrisé.
Ainsi, l’invention concerne une pièce en matériau composite comportant des copeaux au moins en partie inclus dans une matrice. Chaque copeau a une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement préalable à la formation de ladite pièce. Au moins une majorité des fibres du copeau s’étendent sensiblement parallèlement aux faces opposées du copeau. La matrice dans laquelle chaque copeau est inclus au moins en partie est formée d’un adhésif durci lors d’un deuxième durcissement. Ainsi, une interface de liaison est formée entre la matrice et chaque copeau de la pièce.
La notion d’épaisseur sensiblement constante s’interprète de la manière suivante. L’épaisseur correspond à la plus petite dimension du copeau, qui est faible comparativement à ses autres dimensions (par exemple comparativement à sa longueur et sa largeur pour un copeau se présentant sous une forme rectangulaire). L’épaisseur du copeau est sensiblement constante, car le copeau présente deux faces (principales) opposées sensiblement parallèles en tout point. Bien que le copeau soit plat en l’absence de contraintes, il peut être courbé une fois inclus dans une pièce objet de la présente invention. Cette éventuelle courbure est possible du faible de la faible épaisseur du copeau, qui lui confère une certaine souplesse. L’épaisseur du copeau, mesurée perpendiculairement aux faces principales du copeau, est constante en tout point du copeau, ou, à tout le moins, est perçue comme constante par un observateur. C’est en ce sens qu’il est indiqué que l’épaisseur est « sensiblement » constante, c’est-à-dire qu’elle est perçu naturellement comme constante. Alternativement il est considéré que l’épaisseur est sensiblement constante lorsque la plus faible épaisseur n’est pas inférieure à la moitié de la plus grande épaisseur mesurée sur un copeau, et préférentiellement lorsque la différence entre la plus grande épaisseur et la plus faible épaisseur mesurées sur un copeau n’excède pas 25%. Alternativement il est considéré que l’épaisseur est sensiblement constante lorsque la différence entre la plus faible épaisseur et la plus grande épaisseur mesurées sur le copeau n’excède pas 0,5 mm.
L’interface de liaison peut comporter essentiellement des liaisons d’adhésion mécanique. Par liaison d’adhésion mécanique, il est entendu une liaison mécanique tel qu’un ancrage mécanique (ancrage physique de l’adhésif dans les aspérités de la surface solide des copeaux), ainsi qu’éventuellement une liaison par diffusion (diffusion de l’adhésif dans le copeau) et/ou une liaison de type thermodynamique, notamment de type « Van der Waals ». Les liaisons d’adhésion mécanique se distinguent, par nature, des liaisons iono- covalentes.
L’expression « essentiellement des liaisons d’adhésion mécanique », exprime le fait que le premier durcissement est réputé complet, mais il ne peut pas être exclu qu’il reste sur les copeaux quelques rares sites susceptibles de former une liaison iono-covalente avec la matrice de la pièce. Autrement dit, l’adhésif des copeaux est durci lors du premier durcissement, c’est-à-dire polymérisé pour un adhésif thermodurcissable ou thermoplastique, de sorte qu’il ne contient plus (ou quasiment plus) de site permettant de former une liaison chimique avec l’adhésif dans lequel les copeaux sont inclus pour le deuxième durcissement. Ainsi, la présence de liaison iono-covalente entre le copeau et l’adhésif durci lors d’un deuxième durcissement est rare voire inexistante, si bien que l’interface de liaison entre le copeau et l’adhésif est visible à l’œil nu, comme cela est mis en évidence sur les figures 2 et 3 décrites ci-après.
Dans l’ensemble du présent document, le terme « sensiblement » fait référence de manière classique à la perception de cette caractéristique selon le système utilisé pour sa mesure ou sa fabrication. Si une caractéristique est observée à l’œil nu, le terme « sensiblement » fait donc référence à la perception qu’a un observateur de cette caractéristique. Une expression contenant le terme "sensiblement" doit être interprétée comme une caractéristique technique produite dans la marge de tolérance de sa méthode de fabrication. Notamment, le caractère « sensiblement parallèle » entre deux éléments peut s’entendre à 10° d’angle près. Si la fibre considérée est incluse dans un tissu (typiquement taffetas, sergés ou satins), la direction d’extension de la fibre est considérée en négligeant les ondulations de la fibre liées au tissage.
Par « des copeaux au moins en partie inclus dans une matrice », on vise le fait que chaque copeau est noyé dans la matrice, à l’exception éventuelle de certains copeaux pouvant émerger à la surface de la pièce. De même, par « fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement » on vise le fait que les fibres de carbone sont noyées dans l’adhésif d’un copeau, à l’exception éventuelle de certaines fibres pouvant émerger à la surface du copeau.
Le processus de durcissement (ou réticulation, ces termes étant utilisés comme synonymes sauf s’il en est disposé autrement) transforme une résine par un processus de réticulation. De l'énergie et/ou des catalyseurs sont ajoutés pour que les chaînes moléculaires réagissent au niveau de sites chimiquement actifs se liant en une structure 3D rigide. Le processus de réticulation forme une molécule avec un poids moléculaire plus élevé, résultant en un matériau avec un point de fusion plus élevé. Au cours de la réaction, le poids moléculaire augmente jusqu'à ce que le point de fusion soit supérieur à la température ambiante environnante, et que le matériau se transforme en un matériau solide.
Les adhésifs appropriés aux matériaux composites peuvent être choisis dans le groupe constitué par les résines thermodurcissables telles que les résines époxy, ester cyanate et résines phénoliques. Les résines époxy appropriées comprennent les éthers diglycidyliques de bisphénol A, les éthers diglycidyliques de bisphénol F, les résines époxy novolaques et les éthers N-glycidyliques, les esters glycidyliques, les éthers glycidyliques aliphatiques et cycloaliphatiques, les éthers glycidyliques d'aminophénols, les éthers glycidyliques de n'importe quels phénols substitués et leurs mélanges.
Sont également inclus des mélanges modifiés des polymères thermodurcissables susmentionnés.
Par « mélange modifié », on vise un polymère modifié, typiquement, par addition de caoutchouc ou de thermoplastique.
Tout catalyseur (ou « durcisseur ») approprié peut être utilisé. Le catalyseur sera choisi pour correspondre à la résine utilisée.
Le catalyseur peut être accéléré. Par exemple, lorsqu'un catalyseur dicyandiamide est utilisé, une urée substituée peut être utilisée comme accélérateur.
L'agent de durcissement avec une résine époxy peut aussi être choisi parmi Dapsone (DDS), Diamino-diphényl méthane (DDM), complexe BF3-amine, imidazoles substitués, anhydrides accélérés, métaphénylène diamine, diaminodiphényléther, polyétheramines aromatiques, produits d'addition d'amine aliphatique, sels d'amine aliphatique, amine aromatique produits d'addition et sels d'amines aromatiques.
Les accélérateurs appropriés comprennent le Diuron, le Monuron, le Fenuron, le Chlortoluron, la bis-urée de toluènediisocyanate et d'autres homologues substitués.
Les adhésifs appropriés aux matériaux composites peuvent aussi être choisis dans le groupe constitué des résines thermoplastiques. Parmi les thermoplastiques, on peut distinguer les plastiques à hautes performances, les plastiques techniques et les plastiques standards. La plupart des thermoplastiques utilisés dans les matériaux composites sont des plastiques à hautes performances ou des plastiques techniques. Ces plastiques se distinguent notamment des plastiques standards par une résistance à l’usure et une résistance chimique plus importantes.
Les thermoplastiques, selon leur nature, peuvent être durs sous forme amorphe ou sous forme cristalline.
Parmi les thermoplastiques amorphes couramment utilisés dans les matériaux composites, il y a les polyétherimides (PEI), le polyethersulfone (PES), et les polysulfones (PSU).
Parmi les thermoplastiques cristallins couramment utilisés dans les matériaux composites, il y a les polyamides (PA), le poly(téréphtalate d'éthylène), le polyphthalamide (PPA), le poly(sulfure de phénylène) (PPS), et le polyétheréthercétone (PEEK).
Chaque copeau a été formé de sorte qu’il présente une orientation de la majorité des fibres qu’il contient, parallèle aux faces du copeau. Ainsi les fibres peuvent présenter une longueur importante et une orientation maîtrisée dans le copeau. Au final, la longueur et l’orientation des fibres dans les copeaux, et la disposition des copeaux dans la pièce lui confèrent des propriétés mécaniques élevées.
Les copeaux sont en particulier obtenus par découpage dans des éléments en matériau composite à base de fibres de carbone à recycler, comme expliqué plus en détail ci-après. La formation d’une pièce conforme à l’invention permet donc le recyclage de tels éléments, selon un procédé mécanique peu polluant, tout en offrant de bonnes performances mécaniques à la pièce formée. Les faces de chaque copeau peuvent avoir une surface, dite surface du copeau, d’au moins 1 cm2.
Ces valeurs données à titre d’exemple s’entendent comme des minimums. Selon les pièces considérées, les copeaux peuvent présenter une surface bien supérieure, par exemple de l’ordre de 3cm2, 5cm2, 10 cm2, ou 20 cm2, 100 cm2.
Les copeaux formés et employés dans le cadre de la présente invention ont ainsi une surface importante, permettant l’inclusion de fibres de carbone de grande longueur puisque ces dernières s’étendent sensiblement parallèlement aux faces opposées du copeau.
L’interface de liaison entre chaque copeau et la matrice peut ne pas présenter de point d’inflexion, sur l’ensemble de la surface du copeau.
Notamment, l’interface peut être sensiblement plane sur une majorité de la surface du copeau.
Cela est dû à la relative rigidité de chaque copeau, qui inclut des fibres de carbone dans un adhésif durci, avant inclusion dans une matrice pour former la pièce en matériau composite. Chaque copeau a avantageusement une faible épaisseur (e) comparativement à ses autres dimensions. Un copeau étant ainsi une pièce essentiellement bidimensionnelle, de faible épaisseur, ses autres dimensions correspondent typiquement à la plus grande dimension (d) mesurable en surface du copeau et à la dimension mesurée perpendiculairement, également en surface du copeau.
Avantageusement, le ratio (e)/(d) est compris entre 0,05 et 0,0005, préférentiellement entre 0,01 et 0,001 et encore plus préférentiellement entre 0,005 et 0,001.
Dans la présente demande, sauf indication contraire, les gammes s’entendent bornes incluses.
Dans la pièce en matériau composite, les fibres de carbone s’étendent avantageusement majoritairement dans des plans parallèles.
Par exemple, les copeaux peuvent présenter un agencement unidirectionnel des fibres de carbone. Par exemple, les copeaux peuvent être orientés de sorte que les fibres de carbone de la pièce sont sensiblement orientées dans une même direction. Alternativement, les copeaux peuvent être orientés de sorte que les fibres de carbone de la pièce sont sensiblement orientées selon deux directions distinctes seulement, par exemple une première direction et une deuxième direction formant un angle de 90° entre elles.
Les copeaux sont avantageusement disposés dans la pièce selon un motif répétitif. Un motif correspond à une disposition relative particulière de plusieurs copeaux. Un motif correspond en particulier à une disposition non-aléatoire, qui est généralement répétable dans la pièce qui est formée.
Selon un mode de réalisation, les fibres de carbone présentes dans chaque copeau sont agencées en nappes présentant chacune un tissage de fibres de carbone.
Ainsi, une orientation maîtrisée des copeaux et donc des fibres dans la pièce permet l’obtention des propriétés mécaniques souhaitées.
Dans la pièce en matériau composite, les copeaux peuvent tous avoir sensiblement la même forme et les mêmes dimensions. Par exemple, chaque copeau est sensiblement de forme rectangulaire (c’est-à-dire que les faces de chaque copeau sont sensiblement rectangulaires).
La forme bidimensionnelle des copeaux est ainsi un paramètre pouvant être optimisé pour améliorer les propriétés mécaniques de la pièce, et/ou s’adapter à la forme des éléments à recycler.
L’épaisseur des copeaux peut par exemple être comprise entre 200 pm et 1 mm.
L’invention porte aussi sur une pièce en matériau composite comportant des zones fibreuses, formées par les copeaux et représentant entre 20 % et 85 % en volume de la pièce et des zones non fibreuses, constituées de l’adhésif rapporté et durci lors du deuxième durcissement, formant le reste de la pièce.
L’invention porte également sur une pièce en matériau composite comportant :
- une pluralité de zones comportant des fibres de carbone et un premier adhésif, les fibres de carbone présentant une orientation non aléatoire au sein d’une même zone, lesdites zones comportant des fibres de carbone ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles, et l’ensemble des fibres de carbone desdites zones comportant des fibres de carbone étant orientées selon des plans sensiblement parallèles, et
- au moins une zone dépourvue de fibres de carbone, comportant un second adhésif, la pluralité de zones comportant des fibres de carbone et un premier adhésif étant au moins en partie incluse dans la au moins une zone dépourvue de fibres de carbone comportant un second adhésif.
Par « l’ensemble des fibres de carbone desdites zones étant orientées selon des plans sensiblement parallèles », on entend que les fibres de carbone présentes dans lesdites zones sont orientées selon des plans sensiblement parallèles, et ce, d’une zone à l’autre. Par « la pluralité de zones comportant des fibres de carbones et un premier adhésif étant au moins en partie incluse dans la au moins une zone dépourvue de fibre de carbone comportant un second adhésif », on vise que le second adhésif de la au moins une zone dépourvue de fibre de carbone englobe au moins 75%, de préférence au moins 80%, encore plus préférentiellement au moins 85% tel que par exemple 90%, de la surface de la pluralité de zones comportant des fibres de carbone et le premier adhésif.
Comme décrit plus en détail ci-après en référence à la figure 5, une vue en coupe d’une pièce en matériau composite selon l’invention permet de visualiser la pluralité de zones comportant des fibres de carbone (les parties gris clair striées visibles sur la figure 5, les stries étant les fibres de carbone) et au moins une zone dépourvue de fibres de carbone (partie gris foncé).
Les zones comportant des fibres de carbone peuvent également être réparties dans la pièce en matériau composite selon un motif.
Avantageusement, les zones comportant des fibres de carbone représentent entre 20 % et 85 % en volume de la pièce.
Les zones comportant des fibres de carbone, également appelées zones fibreuses, sont en fait les copeaux inclus dans la pièce en matériau composite.
Selon un premier mode de réalisation, le premier adhésif est identique au second adhésif, le premier adhésif ayant été durci avant le second adhésif.
Selon un second mode de réalisation, le premier et le second adhésif sont différents.
Dans une telle pièce, les fibres de carbone peuvent être orientées de manière sensiblement parallèle, orthogonale et/ou à 45° au sein d’une même zone.
La pièce en matériau composite peut, par exemple, être un panneau plan ou courbe.
L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, ledit procédé comportant les étapes de
- fourniture d’un matériau composite comportant des fibres de carbone dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement ;
- découpe du matériau composite en copeaux, chaque copeau ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces opposées du copeau ;
- enduction des copeaux par un adhésif ;
- mise en position des copeaux de sorte à constituer un enchevêtrement de copeaux (c’est-à-dire une superposition formant une imbrication et/ou un entremêlement des copeaux);
- durcissement de l’adhésif liquide, dit deuxième durcissement.
L’invention porte enfin sur une pièce en matériau composite susceptible d’être obtenue par un tel procédé.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : la figure 1 représente schématiquement, selon un schéma de blocs, un procédé conforme à un mode de réalisation de l’invention ; la figure 2 représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite aléatoire pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la figure 3 représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite unidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la figure 4 représente, de manière schématique, une disposition de copeaux dite bidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la figure 5 représente, sous forme de photographie, une coupe d’une pièce en matériau composite selon un mode de réalisation de l’invention, à un grossissement x50 ; la figure 6 représente, sous forme d’un graphique, le module de flexion d’un panneau conforme à un mode de réalisation de l’invention dont les copeaux sont organisés de manière unidirectionnelle, et celui d’un panneau contenant des fibres de carbone neuves orientées de manière unidirectionnelle ; les figures 7a, 7b et 7c illustrent un aspect d’un panneau réalisé selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel la disposition des copeaux est réalisée selon un motif non-aléatoire ; les figures 8a et 8b illustrent un aspect d’un autre panneau réalisé selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel la disposition des copeaux est réalisée selon un motif non-aléatoire ; les figures 9a et 9b illustrent un aspect d’encore un autre panneau réalisé selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel la disposition des copeaux est réalisée selon un motif non-aléatoire .
La figure 1 représente schématiquement, selon un schéma de blocs, un procédé conforme à un mode de réalisation de l’invention, permettant l’obtention des pièces en matériau composite conformes à un mode de réalisation de l’invention. Le procédé met en œuvre les étapes décrites ci-après.
Découpe des copeaux (étape S1).
La mise en œuvre de la présente invention nécessite la formation de copeaux à partir des éléments en matériau composite à base de fibres de carbone qui sont à recycler.
Pour ce faire, les copeaux sont obtenus par découpage mécanique desdits éléments.
Le découpage des copeaux peut être réalisé à l’aide d’une machine de découpe telle qu’un dispositif à lame. Le dispositif à lame peut être un système de type rabot. Un système de type rabot correspond à une machine de découpe comportant une lame permettant de séparer de fines tranches d’épaisseur régulière de la surface d’un élément sur lequel il est passé.
Lorsqu’un élément est découpé pour former des copeaux, la lame du dispositif à lame est positionnée, de manière classique, de sorte que son fil s’étend dans un plan parallèle à la direction de découpage.
Le matériau à découper est positionné dans la machine de découpe selon l’organisation des fibres de carbone qu’il contient.
Si les fibres dans le matériau à découper sont unidirectionnelles, c’est-à-dire incluses dans une matrice sensiblement parallèlement, dans une seule direction, alors les fibres sont positionnées parallèlement à la direction d’avancement du dispositif à lame.
Si les fibres sont incluses sous la forme de nappes tissées, on placera préférentiellement la pièce de sorte que les fils de trame ou de chaîne soient sensiblement parallèles à la direction d’avancement du dispositif à lame.
Les fibres peuvent aussi être disposées selon une succession de couches, chaque couche comportant des fibres unidirectionnelles, mais les couches présentant des orientations des fibres différentes. C’est par exemple le cas pour des matières dites « quadri directionnelles », dont les couches peuvent présenter les orientations relatives successives suivantes : 0° (couche de référence), 90°, 45°, -45°.
Le dispositif à lame peut avantageusement être réglé de sorte que sa lame attaque l’élément entre deux couches de fibres, qu’il s’agisse de deux couches de fibres unidirectionnelles ou de deux nappes tissées.
Le plan de coupe sera avantageusement maintenu entre les couches de fibres afin de conserver autant que possible leur intégrité.
De fines tranches de matériau composite sont ainsi obtenues. Ces tranches peuvent notamment avoir une épaisseur comprise entre 200 pm et 1mm, de préférence entre 200 pm et 500 pm. Les éléments à découper sont mis à la longueur souhaitée pour les copeaux avant d’être découpés en tranches par la machine de découpe, de sorte que les copeaux ayant la longueur souhaitée sont directement obtenus en sortie de la machine de découpe.
Alternativement, les tranches sont ensuite recoupées pour obtenir des copeaux. Typiquement, elles sont coupées transversalement par tout moyen de découpe adapté, par exemple par sciage, afin de former de fins copeaux rectangulaires de longueur régulière. D’autres formes de copeaux peuvent bien évidemment être découpées dans les tranches obtenues.
Par exemple, pour la réalisation de panneaux plans, des copeaux de 10 cm à 20 cm de longueur ont été obtenus et ont permis l’obtention de résultats très bons en termes de performances mécaniques comme exemplifié ci-après. Des longueurs supérieures peuvent également être mises en œuvre, telles que de l’ordre de 50 cm, voire de 1 m.
Bien évidemment, le procédé de découpe décrit ci-dessus peut être adapté selon l’application considérée et les quantités à produire.
Lorsque la matière à recycler est un tissu de fibres de carbone préenduit, mais non durci, cette matière est tout d’abord durcie (polymérisée pour une matière enduite d’une résine thermodurcissable) puis découpée à la forme souhaitée du copeau. Un tel tissu ayant généralement une épaisseur comprise entre 200 pm et 500 pm, le copeau ainsi obtenu présente une épaisseur tout à fait adaptée à être mis en œuvre selon la présente invention pour la formation d’une pièce, notamment moulée, en matériau composite.
Une fois que les copeaux sont formés, ils se présentent donc sous la forme de fins éléments comportant des fibres de carbone incluses, au moins en partie, dans une résine durcie. Les copeaux se présentent donc sous la forme de pièces sensiblement bidimensionnelles (en ce que leur épaisseur est très faible comparativement à ses autres dimensions). La surface des copeaux est avantageusement d’au moins 1 cm2, et de préférence supérieure à 3 cm2, de l’ordre de 10 cm2, voire supérieure, par exemple jusque 100 cm 2 environ.
Le durcissement de la matrice des copeaux étant préalable à la formation de la pièce finale par moulage, on parle de premier durcissement (afin de le distinguer du durcissement de la matrice de la pièce, qui vise à lier les copeaux, et qui sera opérée lors du moulage de la pièce).
Les fibres de carbone sont orientées dans la résine durcie des copeaux. De préférence, elles sont sensiblement parallèles, orthogonales entre elles, et/ou orientées à 45° les unes des autres.
Les fibres des copeaux ayant une épaisseur sensiblement constante, ils comportent deux faces opposées (entre lesquelles l’épaisseur est définie). Le découpage des copeaux est réalisé de sorte à conserver autant que possible les fibres de carbone intactes. Pour cela, le découpage des copeaux est réalisé de sorte que les fibres (dans leur majorité, voire dans leur quasi-totalité ou leur totalité) s’étendent parallèlement aux faces opposées des copeaux. Les fibres s’étendent ainsi dans des plans parallèles au plan général d’extension du copeau, et peuvent présenter une grande longueur malgré la faible épaisseur des copeaux.
Par « majorité », on entend plus de 50% en nombre ;
Par « quasi-totalité », on entend plus de 90% en nombre.
Enduction (étape S2).
Les copeaux sont ensuite mélangés à un adhésif liquide afin de les enduire, en vue de leur moulage.
Cette étape peut être réalisée avant la mise des copeaux dans le moule destiné à former la pièce souhaitée, ou pendant, voire après la mise en place dans le moule. Nous décrivons ci-après l’obtention de pièces conformes à un mode de réalisation de l’invention à une échelle pilote ou prototype. Dans cet exemple, les copeaux sont mélangés à un adhésif avant leur mise en place dans un moule.
A l’échelle prototype, le mélange peut être réalisé manuellement dans un contenant adapté par exemple en aluminium.
Les copeaux sont d’abord pesés dans le contenant (étape S3), puis l’adhésif (par exemple un système résine/durcisseur, voir ci-après) est préparé (étape S4) et ajouté. L’enduction est terminée lorsque chaque copeau est bien recouvert uniformément par de l’adhésif.
L’ajout de l’adhésif et le mélange entre les copeaux et l’adhésif peut être réalisé de manière automatisée. Un mélangeur automatique peut être utilisé pour brasser les copeaux et l’adhésif.
La quantité d’adhésif devant être ajoutée aux copeaux est déterminée selon les caractéristiques de la pièce (par exemple du panneau) que l’on souhaite réaliser.
La quantité d’adhésif devant être ajoutée dépend par exemple du pourcentage volumique ou massique de copeaux souhaité dans le matériau final, pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées, et de l’adhésif utilisé, notamment de sa densité.
Les masses appliquées sont également déterminées par les épaisseurs de panneaux que l’on souhaite obtenir.
Pour de nombreuses applications dans lesquelles des performances mécaniques importantes sont recherchées, il convient de maximiser la proportion de copeaux dans le matériau. La Demanderesse a réalisé des pièces contenant jusqu’à 80 % de pourcentage massique de copeaux, et estime que des pièces contenant jusqu’à 85 % de pourcentage massique de copeaux, voire légèrement plus, peuvent être réalisées avec succès. Divers adhésifs peuvent être utilisés avec succès. De manière générale, tous les adhésifs connus pour être utilisés comme matrice dans des matériaux composites comportant des fibres de carbone, peuvent être utilisés, à l’exception éventuelle des adhésifs qui seraient incompatibles avec l’adhésif durci présent dans les copeaux.
Par incompatible, il est entendu que l’adhésif utilisé provoquerait une réaction chimique non souhaitée avec l’adhésif durci présent dans les copeaux ou serait peu adapté à former des liaisons mécaniques avec les copeaux.
A titre d’exemple, deux adhésifs de type systèmes époxy bi-composants sont mentionnés ci-après.
Les systèmes époxy bi-composants comportent une résine époxy et un durcisseur.
Lorsque la résine et le durcisseur sont mis en contact, la polymérisation commence. Le temps de polymérisation est variable en fonction de la nature du système utilisé.
Le premier système époxy bi-composants mentionné à titre d’exemple est le système commercialisé par la société SIKA sous l’appellation ADEKIT H9011 (ADEKIT est une marque déposée).
Ce système est un système courant et qui peut être utilisé, selon les recommandations de son fabricant, pour des applications de collage de nombreux métaux, de céramiques, de verre, caoutchouc, plastiques rigides, ou encore le collage de matériaux courants. Il convient à la plupart des applications industrielles artisanales.
La résine est de couleur ambre clair, de densité à 25°C de 1 ,16, et de viscosité à 25°C de 25 à 50 Pa.s. Le durcisseur est de couleur ambre, de densité à 25°C de 0,96 et de viscosité à 25°C de 20 à 40 Pa.s. Le mélange des deux est de couleur ambre clair, avec une densité à 23°C de 1 ,07 après polymérisation, et une viscosité à 25°C de 25 à 50 Pa.s. Les proportions de mélange en masse du mélange résine/durcisseur sont de 100/80, les proportions en volume à 25°C sont 100/100. La durée pendant laquelle le mélange est utilisable après mise en contact des deux composants (généralement désignée par l’expression anglophone « pot-life », et qui est donnée pour une masse et une température donnée) sur 110 g à 25°C est de 100 minutes.
La transparence de l’adhésif une fois durci permet de voir les copeaux dans la pièce finale. Le deuxième système époxy bi-composants mentionné à titre d’exemple est un système commercialisé par la société SICOMIN sous l’appellation « RÉSINE ÉPOXY SR 1700 + DURCISSEUR STANDARD SD 2803 ». Ce système est un système courant et qui peut être utilisé, selon les recommandations de son fabricant, pour des applications de stratification dans des domaines variés tels que le nautisme, la carrosserie et le maquettisme.
Le mélange a une viscosité à 20°C de 0,6 à 0,7 Pa.s. Les proportions de mélange en masse du mélange résine/durcisseur sont de 100/39, les proportions en volume sont de 100/45. La durée pendant laquelle le mélange est utilisable après mise en contact des deux composants (généralement désignée par l’expression anglophone « pot-life », et qui est donnée pour une masse et une température donnée) sur 500 g à 20°C est de 120 minutes. Comme indiqué ci-dessus, de nombreux adhésifs sont utilisables pour la formation de pièces conformes à divers modes de réalisation de l’invention. Notamment, des systèmes prévus pour des applications de production de composites (résines d’infusion, d’injection, de stratification) mais aussi des systèmes prévus pour des applications structurales en tant qu’adhésifs.
Les systèmes peuvent notamment avoir une densité comprise entre 1 ,03 à 1 ,38 à 25°C. Leur viscosité dynamique peut notamment être entre 0,4 et 80 Pa.s. Ils peuvent avoir notamment un module d’élasticité (une fois durci) compris entre 2 GPa et 4 GPa.
La polymérisation de ces adhésifs peut se faire à température ambiante ou à plus haute température, de l’ordre de 70°C.
Les temps de polymérisation étant sensiblement différents selon le système adhésif thermodurcissable, le choix du système peut également dépendre de ce temps, selon les propriétés mécaniques et les temps de cycles souhaités.
Alternativement, l’adhésif peut être thermoplastique.
Enfin, et indépendamment des additifs colorants qui peuvent être ajoutés à l’adhésif (comme expliqué ci-après), chaque adhésif présente une couleur et une transparence (ou opacité) particulière. Cela peut être mis à profit pour obtenir l’aspect souhaité pour la pièce finale.
Des additifs peuvent également être ajoutés à l’adhésif, par exemple au mélange colle/durcisseur, avant enduction des copeaux.
Le ou les additifs peuvent comprendre des colorants, des pigments, des pâtes pigmentaires (pigments déjà mêlés à une résine).
Une coloration importante d’une résine transparente a pu être obtenue en mélangeant seulement 0,94 % de pâte par rapport à la masse du mélange résine/durcisseur. Cette proportion a suffi à donner une couleur très opaque au mélange. La couleur est visible sur les pièces, par exemple les panneaux, obtenus après moulage.
Les copeaux en surface de la pièce sont restés apparents, donnant un aspect valorisant et technique à la pièce. Avec les différents additifs colorants (pigments, pâte pigmentaire...) du marché qui ont été essayés, une bonne coloration est obtenue avec au plus 5 % en masse de pigments et/ou au plus 5% en masse de colorants.
Le ou les additifs peuvent également comporter des charges. Les charges désignent tous les éléments particulaires pouvant être ajoutés dans l’adhésif pour en modifier les propriétés, et/ou pour en abaisser le coût à volume égal. Les charges envisagées comportent notamment des particules minérales ou organiques susceptibles d’améliorer certaines propriétés de la pièce finale, en particulier sa résistance à la rayure ou à l’abrasion.
Ces charges sont le plus souvent de nature minérale (charges d’aluminium, de calcium...) sous forme de particules dont la taille est de l’ordre de grandeur du nanomètre ou du micromètre.
L’adhésif peut également comprendre des microbilles de verre.
La charge utilisée peut également comporter des poussières de carbone, par exemple issues des opérations de préparation et de découpage des éléments à recycler. Il s’agit donc dans ce cas d’une charge organique.
Moulage (étape S5).
Le mélange de copeaux et d’adhésif est ensuite moulé.
Comme expliqué ci-avant, de l’adhésif est optionnellement utilisé pour réaliser un nappage (étape S6) du moule. Le nappage permet de réaliser une couche de résine en surface et confère à la pièce réalisée un bel état de surface, par exemple lisse ou correspondant parfaitement à l’état de surface conféré par le moule.
En alternative au nappage, un surmoulage peut être réalisé. Pour cela, en fin de polymérisation (voir ci-après), on injecte de la résine dans le moule pour recouvrir la pièce moulée, et obtenir un effet analogue à celui du nappage. La forte pression d'injection lors du surmoulage peut permettre de rajouter des éléments fonctionnels en surface de la pièce moulée (des rainures, des encoches, des rails, etc.) ou de créer l’aspect de surface souhaité.
En alternative ou en complément au nappage ou au surmoulage, un gel-coat (que l’on peut traduire par enduit gélifié) peut être appliqué sur le moule. Et en alternative au gel coat, un top-coat (que l’on peut traduire par enduit de finition) peut être appliqué sur la pièce une fois celle-ci moulée.
Il est considéré ci-après qu’un panneau plan est réalisé. Le moule utilisé comporte une partie concave, dite empreinte femelle, et une partie formant une empreinte mâle correspondante.
Le nappage est réalisé à la surface de l’empreinte femelle et à la surface de l’empreinte mâle. Pour un panneau plan, la surface de l’empreinte femelle est égale à celle de l’empreinte mâle, et la règle suivante peut être employée.
Pour chaque face, 10 % de la quantité de l’adhésif à utiliser plus la moitié de la quantité d’excès d’adhésif (c’est-à-dire de la quantité d’adhésif qui est volontairement prévue en trop et qui s’échappera lors du moulage) sont appliqués.
Pour le nappage réalisé du côté de l’empreinte mâle, l’adhésif peut être déposé à la surface de l’empreinte mâle ou sur les copeaux une fois ceux-ci mis en place dans l’empreinte femelle, comme décrit ci-après.
Par exemple, si la quantité de colle à utiliser est de 68 g et que l'excès de colle est de 5 g, la quantité de colle pour le nappage sera de 9,3 g pour chaque face, soit 18,6 g au total.
Pour réaliser le nappage, la colle peut être appliquée à l’aide d’un applicateur souple, ou être projetée sur les parois à recouvrir. Selon l’échelle de production, cette étape peut être réalisée par un opérateur ou de manière automatisée.
Avant nappage et/ou mise en place des copeaux, un démoulant peut être appliqué sur la surface interne du moule afin de faciliter l’extraction de la pièce une fois celle-ci formée.
Lorsque les copeaux ont été mélangés à l’adhésif, il convient de les disposer dans l’empreinte femelle du moule, puis de finaliser le moulage sous presse.
Selon l’échelle de production envisagée, la mise en place des copeaux peut être réalisée de manière manuelle, à l’aide de gabarits ou de repères visuels (par exemple des guides formés par un laser), ou de manière automatisée.
Les copeaux recouverts d’adhésif sont disposés dans l’empreinte femelle du moule, sur une plaque d’extraction. La plaque d’extraction permet d’extraire le panneau du moule après l’action de pressage. Elle peut également être utilisée pour adapter l’épaisseur du panneau qui est formé (plusieurs épaisseurs peuvent être réalisées dans un même moule en faisant varier l’épaisseur de la plaque d’extraction). Si une plaque d’extraction est utilisée, elle forme alors la surface interne du moule et ce sera donc la plaque d’extraction qui sera nappée d’adhésif, le cas échéant, et préalablement de démoulant, également le cas échéant.
L’étape de disposition des copeaux (étape S7) dans le moule peut être importante pour les propriétés mécaniques du panneau (ou plus généralement de la pièce) qui est formée. En partant de l’hypothèse que les copeaux présentent des fibres de carbone unidirectionnelles, les copeaux peuvent être disposés dans le moule selon trois grands types de distribution.
Une première disposition est dite aléatoire. Par aléatoire, il est entendu que les copeaux sont disposés selon les orientations diverses, et se superposent entre eux de manière irrégulière. Un exemple de disposition dite aléatoire est représenté à la figure 2. La figure 2 représente plus précisément la surface d’un panneau plan selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel les copeaux ont une disposition dite aléatoire. Les copeaux utilisés sont ici rectangulaires. Un panneau présentant une disposition des copeaux 1 aléatoire est généralement sensiblement isotrope dans le plan dans lequel il s’étend, pour ce qui concerne ses propriétés mécaniques.
Lorsqu’une disposition aléatoire des copeaux 1 dans le moule est réalisée, la Demanderesse a néanmoins constaté que les volumes laissés libres par la superposition des copeaux devaient être minimisés, en particulier pour les panneaux de faible épaisseur (typiquement inférieure ou égale à 2 mm).
Une seconde disposition est dite unidirectionnelle. Un exemple de disposition dite unidirectionnelle est représenté à la figure 3. Selon cette disposition, les copeaux sont tous disposés dans la même direction (A), c’est-à-dire que les fibres de carbone contenues dans les différents copeaux sont toutes sensiblement orientées dans une même direction. Une tolérance d’angle, de l’ordre de plus ou moins 10°, est acceptable. Cette tolérance est mesurée selon l’angle a formé entre la direction(A) théorique des copeaux 10 et la direction d’extension générale de chaque copeau (typiquement la direction selon la longueur du copeau, pour un copeau rectangulaire). Il est par ailleurs admissible que 10 % des copeaux au maximum ne respectent pas l’orientation souhaitée et la tolérance d’angle. Néanmoins, une plus faible tolérance d’angle et/ou de proportion de copeaux incorrectement orientés peuvent être atteints, ce qui participe à l’obtention des propriétés mécaniques souhaitées. Les copeaux 1 sont donc orientés de la même façon, mais sans être strictement organisés les uns par rapport aux autres selon une structure pouvant induire des faiblesses dans le panneau. Une disposition irrégulière des copeaux, dans la direction longitudinale et dans la direction transversale, tout en garantissant leur alignement longitudinal, est ainsi préférée. Cette disposition permet l’obtention d’un panneau anisotrope pour ce qui concerne ses propriétés mécaniques. Ces propriétés, notamment la résistance à la flexion et la résistance à la rupture, sont très importantes dans la direction (A) d’alignement des copeaux et des fibres, au détriment de la direction orthogonale (B) aux fibres. Une troisième disposition est dite multidirectionnelle, telle que par exemple, bidirectionnelle. Un exemple de disposition dite bidirectionnelle est représenté à la figure 4. Elle consiste à réaliser plusieurs plis (comportant chacun une ou plusieurs couches de copeaux) avec des orientations de copeaux différentes entre plis adjacents. Par exemple, avec des copeaux rectangulaires, il est possible d’alterner les plis, avec une disposition des copeaux d’un pli à 90° des copeaux des plis adjacents. Une disposition bidirectionnelle peut donc être définie comme un empilement de couches unidirectionnelles telles que décrites précédemment. On a ainsi représenté à la figure 4 partiellement deux plis (c’est-à-dire que seuls certains copeaux de chaque pli sont représentés pour illustrer la superposition des copeaux), à savoir un pli supérieur dans lequel les copeaux sont orientés selon une première direction (x), et un pli inférieur dans lequel les copeaux sont orientés selon une direction (y) orthogonale à la direction (x). Les copeaux du panneau plan pris ici à titre d’exemple sont positionnés parallèlement au plan (x,y).
Selon le principe décrit ci-avant, toute disposition multidirectionnelle peut être envisagée. Les dispositions présentées ci-dessus concernent un panneau plan de faible épaisseur. Pour la formation d’une pièce ayant une épaisseur importante (par exemple un cube) ou ayant une forme tridimensionnelle complexe, il est également possible de positionner pour le moulage des copeaux orthogonalement aux plans d’extensions des copeaux formant une configuration aléatoire, unidirectionnelle, ou bidirectionnelle telle que décrite ci-dessus. Ces copeaux qui s’étendent dans l’épaisseur de la pièce augmentent les propriétés mécaniques de la pièce dans leur direction d’extension. Considérant un repère orthogonal (x,y,z), tel que représenté à la figure 4, la majorité des copeaux étant orientés dans des plans parallèles au plan (x,y), les copeaux positionnés orthogonalement, dans la direction z (par exemple parallèlement au plan (x,z) ou au plan (y,z), renforcent ainsi mécaniquement la pièce dans la direction z.
De manière générale, la disposition des copeaux, dès lors qu’elle n’est pas purement aléatoire, peut être telle que les copeaux forment un motif particulier qui est répété pour former le panneau (ou plus généralement une pièce).
Un motif correspond à une disposition particulière de plusieurs copeaux entre eux dans les trois dimensions. Ainsi, à l’exception d’une disposition purement aléatoire, les autres dispositions envisagées (unidirectionnelle, bidirectionnelle, multidirectionnelle, avec le cas échéant une disposition tridimensionnelle des copeaux, etc.) peuvent être envisagées comme la répétition d’un motif de copeaux.
Des exemples de motifs, illustrant les avantages qui peuvent être obtenus grâce à une disposition non-aléatoire des copeaux, sont donnés ci-après (Exemple III et Exemple IV) La disposition, la géométrie, la taille des copeaux utilisés et l’épaisseur des plis peuvent être adaptés selon l’application visée.
Dans une certaine mesure, plus les copeaux sont longs, meilleures sont les propriétés mécaniques. Cependant, en pratique, la longueur des copeaux pouvant être formés et utilisés dépend des éléments qui sont recyclés, et des nouvelles pièces formées et notamment de leur complexité géométrique (il est bien évident qu’il est plus facile d’intégrer des copeaux de grande longueur dans un panneau plan de grandes dimensions que dans une pièce courbe, à la géométrie complexe, et/ou présentant de nombreux détails géométriques). En règle générale, il est avantageux de mettre en œuvre des copeaux dont la plus grande dimension, telle que la longueur, est comprise entre 3 et 20 cm.
De préférence, les plis formant les surfaces externes de la pièce (par exemple des deux faces opposées d’un panneau) ont leurs copeaux 11 orientés longitudinalement, c’est-à- dire dans la direction d’extension principale de la pièce, ou si cette direction ne peut pas être déterminée, dans une direction fixée arbitrairement, et le pli intérieur, ou un pli intérieur sur deux, a ses copeaux 12 orientés transversalement (c’est-à-dire perpendiculairement aux copeaux orientés longitudinalement). En faisant varier les épaisseurs de chaque pli, il est également possible de faire varier les performances du panneau dans ces deux directions.
Dans toutes les dispositions présentées ci-dessus, chaque pli peut comporter une ou plusieurs couches de copeaux.
Une fois les copeaux disposés dans l’empreinte femelle du moule, le moule est fermé par mise en position de l’empreinte mâle (étape de fermeture du moule S8).
Le moule est installé dans une presse, qui est activée afin de mettre le contenu du moule sous pression (étape de moulage sous pression S9). Des prototypes de panneaux ont été réalisés en appliquant une force de 20 tonnes-force (environ 1600 daN). Une pression sensiblement moindre pourrait néanmoins suffire. Lorsqu’une résine thermodurcissable est utilisée, la polymérisation peut se dérouler à température ambiante. Avantageusement, le moule peut être chauffé pour accélérer la polymérisation. Pour obtenir une chauffe efficace et homogène (une température de l’ordre de 70°C peut être souhaitée), deux plaques chauffantes peuvent être utilisées, de part et d’autre du moule. Pour réguler le chauffage, et prendre en compte le caractère exothermique de la polymérisation de l’adhésif, un contrôle en boucle fermé, par exemple de type PID (proportionnel, intégrale, dérivée) peut être utilisé.
La pièce est démoulée lorsque l’adhésif a suffisamment durci pour rendre la pièce manipulate sans déformation (étape de démoulage S10). La polymérisation n’est cependant pas nécessairement totalement achevée lors du démoulage. Cela permet de libérer la presse pour d’autres moulages.
Afin de finaliser le durcissement des pièces (étape S11), elles peuvent être placées en étuve, typiquement à 70°C.
Pour le système ADEKIT H9011 , le temps de polymérisation est de 16h à 70°C. A titre de comparaison, la polymérisation complète de cet adhésif prend de l’ordre d’une semaine à température ambiante.
Le procédé décrit ci-dessus permet ainsi l’obtention de pièces moulées en matériau composite formées à partir d’éléments en matériau composite à base de fibres de carbone que l’on souhaite recycler.
Le procédé décrit ci-dessus met en œuvre un moulage de la pièce. Alternativement, d’autres techniques de mise en forme peuvent être utilisées. Par exemple, un procédé de pultrusion ou un procédé de calandrage peut être utilisé.
Dans un procédé de pultrusion permettant l’obtention de pièces conformes à la présente invention, les copeaux sont enduits et orientés dans une buse et sortent de ladite buse avec la disposition souhaitée dans une résine en cours de (deuxième) durcissement. La pultrusion peut être employée, notamment, pour l’obtention de pièces de grande longueur (poutres, panneaux, etc).
Dans un procédé de calandrage permettant l’obtention de pièces conformes à la présente invention, une masse d’adhésif en cours de polymérisation et incluant les copeaux correctement disposés passe dans l’entrefer de rouleaux afin de former une pièce de faible épaisseur, par exemple un panneau fin.
Contrairement aux procédés de recyclage connus, qui visent généralement à extraire la fibre de carbone en vue de son réemploi, il est proposé dans l’invention de former des copeaux dans lesquels les fibres restent, au moins en partie, incluses dans la matrice durcie de l’élément recyclé.
De nombreuses géométries de pièces peuvent être obtenues.
La figure 5 représente, sous forme de photographie, une coupe d’une pièce en matériau composite selon un mode de réalisation de l’invention, à un grossissement x50. En l’occurrence, la figure 5 représente la coupe d’un panneau plan comportant des copeaux 1 positionnés parallèlement entre eux et inclus dans une matrice 2. Les copeaux 1 de la figure 5 sont des copeaux rectangulaires, qui sont disposés de manière unidirectionnelle selon une direction longitudinale. La coupe réalisée est une coupe longitudinale du panneau, perpendiculaire au plan dans lequel s’étend ledit panneau. Sur cette photographie en coupe, les copeaux 1 apparaissent comme des parties gris clair striées, les stries correspondant à des fibres de carbone 3, les zones internes aux copeaux situées entre les fibres de carbone 3 correspondant à l’adhésif durci lors d’un premier durcissement.
La matrice 2, qui est formée d’un adhésif durci lors d’un deuxième durcissement, et dans laquelle les copeaux 1 sont inclus, correspond aux zones dépourvues de fibres de carbone qui apparaissent en gris foncé sur la figure 5.
Les copeaux 1 restent bien distincts de la matrice 2, de sorte qu’une interface de liaison entre chaque copeau 1 et la matrice 2 est perceptible. La figure 5 permet ainsi de visualiser que chaque copeau est un élément essentiellement bidimensionnel de faible épaisseur e. L’épaisseur e du copeau est mesurée entre les deux faces 4 parallèles du copeau 1 (l’épaisseur étant, de manière classique, la plus faible distance entre les faces 4, c’est-à- dire mesurée perpendiculairement à ces faces 4).
Exemple I : Caractérisation des panneaux obtenus selon l’invention
La Demanderesse a mené des essais de caractérisation, en termes de caractéristiques mécaniques, des matériaux obtenus selon la présente invention, décrits dans les exemples qui suivent.
Les essais dont les résultats sont décrits ci-après ont été réalisés sur des plaques prototypes de 23 cm par 23 cm et ayant une épaisseur comprise entre 3,5 mm et 3,6 mm. Les copeaux utilisés dans les essais ici présentés sont issus d’éléments en matériau composite comportant des fibres de carbone selon un agencement unidirectionnel inclus dans un adhésif de type résine époxy. Les éléments employés sont issus de l’industrie aéronautique. Le matériau composite avait des caractéristiques identiques ou similaires au matériau « Plaque carbone UD » dont les caractéristiques sont indiquées dans le tableau 1 ci-dessous.
Les copeaux utilisés sont rectangulaires, et ont une longueur I de 100 mm, une largeur b de 9 mm et une épaisseur comprise entre 0,3 mm et 0,5 mm.
Les plaques sont réalisées selon un procédé tel que décrit précédemment en référence à la figure 1 .
Le moule est enduit d’un démoulant et est nappé dans les conditions ci-avant décrites.
L’adhésif utilisé est le système ADEKIT H9011 utilisé selon les recommandations de son fabricant, rappelées ci-avant.
Les copeaux sont positionnés manuellement dans le moule. Le ratio entre les copeaux et l’adhésif est, sauf indication contraire, de 65/35 en masse dans la plaque finie.
Le moulage est réalisé sous presse, en appliquant une force de 20 tonne-force, et en pilotant la température à 70°C environ. Après démoulage, les plaques sont maintenues une semaine à température ambiante (20°C) avant d’être utilisées pour des mesures.
Des essais ont permis d’obtenir les résultats présentés dans le tableau suivant.
Les caractéristiques de plaques conformes à des modes de réalisation y sont présentées, comparativement à des matériaux de référence.
Tableau 1
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La « plaque carbone UD » correspond à une plaque d’un matériau composite à base de fibres de carbone neuves unidirectionnelles.
La « plaque carbone bidirectionnelle » correspond à une plaque d’un matériau composite à base de fibres de carbone neuves organisée de manière bidirectionnelle, c’est-à-dire avec une alternance, en nombre égal, de couches présentant des fibres longitudinales et de couches présentant des fibres transversales.
Les « Plaque UD1 » et « Plaque UD2 » correspondent à des plaques en matériau composite conformes à des modes de réalisation de l’invention, obtenus comme décrit ci- dessus, et dont les copeaux, et donc les fibres, sont positionnées selon un arrangement unidirectionnel.
La « Plaque BD1 » correspond à un matériau présentant un arrangement des copeaux et des fibres bidirectionnelles, à savoir que la plaque testée comporte deux plis externes (formant les surfaces externes de la pièce) dans lesquels les copeaux, et donc les fibres, sont positionnés selon un arrangement unidirectionnel longitudinal, et un pli interne dans lequel les copeaux, et donc les fibres, sont positionnés selon un arrangement unidirectionnel transversal. Le pli interne a une épaisseur mesurant le double de l’épaisseur de chaque pli externe.
La « Plaque BD2 » correspond à un matériau présentant un arrangement bidirectionnel des copeaux et des fibres, à savoir que la plaque testée comporte deux plis externes dans lesquels les copeaux, et donc les fibres, sont positionnés selon un arrangement unidirectionnel longitudinal, et un pli interne dans lequel les copeaux, et donc les fibres, sont positionnés selon un arrangement unidirectionnel transversal. Le pli interne a une épaisseur mesurant environ six fois l’épaisseur de chaque pli externe (ce qui procure un comportement isotrope dans ces directions longitudinales et transversales au panneau sous référence Plaque BD2).
Il est notable que le module de flexion et la contrainte à la rupture de la Plaque UD2 (avec 65% de copeaux en masse) est significativement supérieure à 50 % des valeurs obtenues pour la Plaque Carbone UD de référence, soit un matériau composite à base de fibres unidirectionnelles neuves comparables (duquel les copeaux employés peuvent être extraits). En particulier le module de flexion obtenu, dans le sens longitudinal, est égal à 57 % du module de flexion du matériau unidirectionnel comparable à base de fibres de carbone neuves. En ramenant ces résultats à masses égales des panneaux (compte tenu des différences observées en terme de densité), le module de flexion de la Plaque UD2 (avec 65% de copeaux en masse) est égal à 63 % du module de flexion de la Plaque Carbone UD de référence.
Pour ce qui concerne les panneaux obtenus avec une organisation bidirectionnelle, la Plaque BD2 offre un résultat analogue. En effet, dans les deux directions longitudinales et transversales, le module de flexion et la contrainte à la rupture de la Plaque BD2 est significativement supérieure à 50 % des valeurs obtenues pour la Plaque Carbone Bidirectionnelle.
Par ailleurs, la Plaque BD1 offre un module de flexion identique à la Plaque Carbone Bidirectionnelle de référence dans la direction longitudinale (et donc une performance supérieure au panneau neuf dans cette direction, à masse égale), au prix d’une performance moindre dans la direction transversale.
Les résultats présentés ci-dessus démontrent l’obtention de matériaux recyclés ayant des grandes performances mécaniques. Ces résultats sont obtenus pour des matériaux comportant une proportion de copeaux pouvant être encore augmentée relativement à la quantité d’adhésif ajoutée (ratio de 65/35 en masse au plus dans les exemples représentés). Or, la Demanderesse a constaté que le pourcentage de copeaux influe directement sur les performances mécaniques obtenues, car il induit le pourcentage de fibres au sein du matériau. Notamment, le module de flexion de la Plaque UD2 (contenant 65% de copeaux en masse) est supérieur de près de 50% à celui de la Plaque UD1 (contenant 50% de copeaux en masse). La résistance à la rupture est quant à elle augmentée de plus de 20%.
L’invention permet donc d’obtenir un matériau recyclé qui présente environ 70% des performances mécaniques, notamment 70 % du module de flexion, et (jusque 75% à 80% des performances à masses identiques) des matériaux comparables à base de fibres neuves, avec un procédé de fabrication simple, et ayant un impact environnemental faible comparativement aux procédés de recyclage chimiques ou thermiques.
En outre, des performances encore supérieures peuvent être atteintes, la Demanderesse ayant réalisé avec succès des pièces contenant plus de 65% en masse de copeaux (en l’occurrence jusqu’à 78 % en masse, et un panneau contenant environ 85% en masse de copeau semble réalisable).
Exemple II : Caractérisation des panneaux obtenus selon l’invention
La figure 6 représente, le module de flexion d’un panneau conforme à un mode de réalisation de l’invention dont les copeaux sont organisés de manière unidirectionnelle, et celui d’un panneau contenant des fibres de carbone neuves orientées de manière unidirectionnelle.
Le module de flexion est porté en ordonnée.
En abscisse est représenté l’angle selon lequel la mesure est réalisée. Un angle de 0° correspond à la direction d’extension des fibres ou des copeaux, et 90° correspond à la direction transversale aux fibres et/ou aux copeaux.
Les triangles correspondent aux mesures réalisées sur une plaque d’un matériau conforme à un mode de réalisation de l’invention dont les copeaux, formés à base d’éléments comportant des fibres de carbone unidirectionnelles, sont organisés de manière unidirectionnelle, dont le module de flexion mesuré dans la direction d’extension des copeaux et des fibres qu’ils contiennent, est de 47 GPa.
Les ronds représentent les modules de flexion théoriques calculés pour une plaque équivalente, formée dans un matériau composite à base de fibres de carbone unidirectionnelles neuves dont le module de flexion dans la direction des fibres qu’il contient serait de 47 GPa.
Il apparaît que, de manière surprenante, les mesures réalisées pour le matériau composite formé selon l’invention correspondent parfaitement aux valeurs théoriques obtenues pour le matériau formé avec des fibres neuves continues équivalent. Ainsi, les propriétés mécaniques d’un élément formé conformément à l’invention, au moins pour des copeaux comportant des fibres organisées de manière unidirectionnelle et une organisation par plis, sont prédictibles selon les connaissances généralement appliquées aux matériaux composites à base de fibres de carbone neuves continues équivalents.
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des plis réalisés avec un motif de
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des fibres de carbone tissées
Cet exemple concerne la formation d’un panneau en utilisant deux motifs non aléatoires différents de copeaux, chaque motif permettant de former une couche de copeaux, les couches de copeaux formées selon les deux motifs étant disposées en alternance dans le panneau.
A titre de référence, les propriétés mécaniques données dans le tableau suivant ont été déterminées pour un panneau laminé ayant pour dimensions : 230 mm x 230 mm x 4 mm, formé selon une disposition des copeaux dites « semi-aléatoire ». Dans une telle disposition, les copeaux sont placés dans le moule manuellement, afin d’obtenir un bon remplissage du moule, sans néanmoins réaliser un motif particulier ou répétitif.
Pour former le panneau de référence, des copeaux ayant pour dimensions 60 mm x 60 mm x 0,4 mm ont été utilisés. Dans ces exemples, les copeaux sont obtenus par découpe d’un matériau composite intégrant des fibres de carbones tissées, disposées en nappes de tissus. Le découpage pour former les copeaux est réalisé autant que possible entre les nappes.
L’adhésif et les conditions d’obtention du panneau sont similaires à ceux décrits dans l’EXEMPLE I.
Les propriétés en flexion (déterminées par un essai de flexion 3 points, selon la norme ISO 14125 : 1998) ainsi que la densité des panneaux prototypes formés ainsi sont résumés dans le tableau 2 ci-dessous.
Les moyennes et écarts présentés dans le tableau 2 ci-dessous sont obtenus chacun sur six mesures.
Tableau 2
Figure imgf000030_0001
Le coefficient de variation CV est le rapport de l'écart-type à la moyenne, exprimé en pourcentage. Plus la valeur du coefficient de variation est élevée, plus la dispersion autour de la moyenne est grande.
Les propriétés en flexion mesurées présentent donc des variations importantes entre les différents prototypes réalisés. On note en particulier que les coefficients de variation sont très supérieurs à 10% pour les propriétés mécaniques.
Un panneau laminé de mêmes dimensions (soit. 230 mm x 230 mm x 4 mm) a ensuite été formé, avec des copeaux obtenus dans le même matériau que pour le panneau de référence, et de même épaisseur.
Afin de composer les motifs décrits en référence aux figures 7a, 7b et 7c, des copeaux ayant les dimensions suivantes ont été utilisés :
A : 60x60x0,4 mm
B : 60x48x0,4 mm
C : 60x30x0,4 mm
D : 60x18x0,4 mm
E : 48x48x0,4 mm F : 30x30x0,4 mm
G : 30x18x0,4 mm
H : 18x18x0,4 mm
La figure 7a représente un premier motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
La référence des copeaux utilisées (A à H selon la liste ci-dessus) est indiquée au niveau de chaque copeau représenté.
La figure 7b représente un deuxième motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
La référence des copeaux utilisées (A à H selon la liste ci-dessus) est indiquée au niveau de chaque copeau représenté.
Afin de constituer le panneau les copeaux sont mis en place dans le moule en alternant les couches de premier motif et les couches de deuxième motif.
La figure 7c représente la superposition d’une couche de premier motif (en traits pointillés) et d’une couche de deuxième motif (en trait plein).
L’idée qui sous-tend la formation de ce panneau est de faire en sorte qu’une zone d’aboutement entre deux copeaux, qui peut constituer une zone de faiblesse mécanique, est toujours prise en sandwich entre deux copeaux.
On notera que la maîtrise et la constance de l’épaisseur des copeaux est importante car c’est cette dimension qui définit l’épaisseur de chaque couche (également appelée pli).
Or, l’épaisseur de pli est un paramètre important de la formation d’un laminé (qu’il soit recyclé ou non). Avoir une épaisseur de copeau constante permet donc de maîtriser l’épaisseur d’un pli, la disposition, l’épaisseur du panneau (ou de la pièce) formé ainsi que ses propriétés mécaniques.
Les panneaux prototypes obtenus comme décrit ci-dessus ont été également testés selon un test de flexion 3 points et leur densité a été mesurée. Les valeurs obtenues sont résumées dans le tableau 3 suivant.
Tableau 3
Figure imgf000031_0001
Figure imgf000032_0001
L’adoption d’un motif répétitif non aléatoire aboutit ainsi, avec la configuration de l’exemple donné ici, à une augmentation de la valeur de contrainte à la rupture d’environ 30%.
Cela signifie que les zones de faiblesse dans le panneau ont été diminuées.
Par ailleurs, la variation des propriétés mécaniques entre les différents panneaux a été fortement diminuée, comparativement aux panneaux de référence. La variation sur les propriétés de flexion a été divisée par deux comparativement aux panneaux de référence, de sorte que le coefficient de variation de la contrainte à la rupture est limité à 10%. Il y a une très faible variation pour ce qui concerne la densité du panneau.
La maîtrise du motif répétitif (ou des motifs) et de la disposition non aléatoire des copeaux permet donc d’obtenir un matériau homogène, dont les propriétés mécaniques peuvent être optimisées, et sont contrôlées, prévisibles et peu variables.
Exemple 4 : panneaux laminés comportant des plis réalisés avec un motif de copeaux comportant des fibres de carbone unidirectionnelles
Cet exemple concerne également la formation d’un panneau en utilisant deux motifs non aléatoires différents de copeaux, chaque motif permettant de former une couche de copeaux, les couches de copeaux formés selon les deux motifs étant disposées en alternance dans le panneau.
A titre de référence, les propriétés mécaniques données dans le tableau suivant ont été déterminées pour un panneau laminé ayant pour dimensions : 230 mm x 230 mm x 4mm, formé selon une disposition des copeaux dites « semi-aléatoire ». Dans une telle disposition, les copeaux sont placés dans le moule manuellement, afin d’obtenir un bon remplissage du moule, sans néanmoins réaliser un motif particulier ou répétitif.
Dans ces exemples, les copeaux sont obtenus par découpe d’un matériau composite intégrant des fibres de carbones unidirectionnelles.
Les copeaux utilisés ont pour dimensions : 100 mm x 10 mm x 0,4 mm.
L’adhésif et les conditions d’obtention du panneau sont similaires à ceux décrits dans l’Exemple I. Les propriétés en flexion (déterminées par un essai de flexion 3 points, selon la norme ISO 14125 : 1998) ainsi que l’épaisseur des panneaux prototypes formés ainsi sont résumés dans le tableau 4 ci-dessous.
Tableau 4
Figure imgf000033_0001
Des panneaux (panneaux 1 et panneaux 2) ont été formés, comme expliqué ci-dessous, avec des copeaux ayant les dimensions suivantes :
I : 100x10x0,4 mm
J : 70x10x0,4 mm
K : 65x10x0,4 mm
L : 55x10x0,4 mm
M : 25x10x0,4 mm
Des panneaux (panneaux 1) laminés de mêmes dimensions (soit. 230 mm x 230 mm x 0,4 mm) ont ensuite été formés, avec des copeaux obtenus dans le même matériau que pour le panneau de référence.
La figure 8a représente un premier motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
La figure 8b représente un deuxième motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
Le panneau 1 est formé en superposant alternativement des couches de copeaux selon le motif de la figure 8a et selon le motif de la figure 8b.
La référence des copeaux utilisées (I à N selon la liste ci-dessus) est indiquée au niveau de chaque copeau représenté.
Des panneaux (panneaux 2) laminés de mêmes dimensions (soit. 230 mm x 230 mm x 4mm) ont ensuite été formés, avec des copeaux obtenus dans le même matériau que pour le panneau de référence. La figure 9a représente un premier motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
La figure 9b représente un deuxième motif selon lequel les copeaux sont disposés, bord à bord, pour former une couche de 230 mm par 230 mm.
La référence des copeaux utilisées (I à N selon la liste ci-dessus) est indiquée au niveau de chaque copeau représenté.
Les panneaux prototypes (panneaux 1 et panneaux 2) obtenus comme décrit ci-dessus ont été également testés selon un test de flexion 3 points et leur épaisseur a été mesurée. Les valeurs obtenues sont résumées dans le tableau 5 suivant.
Tableau 5
Figure imgf000034_0001
On constate que le fait d’utiliser des motifs répétitifs et une disposition maîtrisée des copeaux n’implique pas nécessairement des résultats, en termes de caractéristiques mécaniques, meilleurs que ceux obtenus avec une disposition dite semi-aléatoire (panneaux de référence).
La disposition 1 permet l’obtention de panneaux qui présentent des caractéristiques mécaniques équivalentes à celles des panneaux de référence, avec néanmoins une variation plus élevée pour ce qui concerne la contrainte à la rupture en flexion. Un taux de variation beaucoup plus faible de l’épaisseur du panneau est obtenu avec une dispositif non-aléatoire. Le fait d’utiliser un motif non aléatoire (ou des motifs non-aléatoires) pour réaliser le panneau permet ainsi de limiter les dispersions d’épaisseur des panneaux réalisés. En effet, bien que les panneaux présentés ci-dessus ont tous le même nombre de plis, une disposition « semi-aléatoire » des copeaux entraine des chevauchements de certains copeaux dans un même pli. Cela entraine une épaisseur plus important du panneau, et aussi une plus grande variation dans l’épaisseur d’un panneau à un autre.
Les panneaux 2 obtiennent des résultats bien meilleurs en flexion avec des variations similaires par rapport à la disposition semi-aléatoire, à savoir un module de flexion supérieur de plus de 25% du module de flexion et une contrainte à la rupture de supérieure de 15% comparativement au panneau de référence, alors que le panneau 2 est plus fin, pour les raisons expliquées ci-dessus.
Les Exemples III et IV montrent ainsi, de manière générale, que l’emploi d’un motif non- aléatoire, répétitif, peut permettre d’améliorer les caractéristiques mécaniques des pièces formées selon la présente invention. Cela permet également une plus faible variation des caractéristiques des pièces. Les caractéristiques obtenues étant mieux maîtrisées, stables et prévisibles un dimensionnement au plus juste des pièces peut être réalisé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce en matériau composite comportant
- des copeaux (1), chaque copeau (1) ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces (4) opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone (3) au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement préalable à la formation de ladite pièce, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces (4) opposées du copeau (1) et
- une matrice (2) dans laquelle chaque copeau (1) est inclus au moins en partie, ladite matrice (2) étant formée d’un adhésif durci lors d’un deuxième durcissement, de sorte qu’une interface de liaison est formée entre la matrice (2) et chaque copeau (1) de la pièce.
2. Pièce en composite selon la revendication 1 dans laquelle l’interface de liaison comporte essentiellement des liaisons d’adhésion mécanique.
3. Pièce en composite selon la revendication 1 ou la revendication 2, les faces (4) de chaque copeau (1) ayant une surface, dite surface du copeau, d’au moins 1 cm2.
4. Pièce en matériau composite selon la revendication 3, dans laquelle l’interface de liaison entre chaque copeau et la matrice (2) ne présente pas de point d’inflexion, sur l’ensemble du copeau.
5. Pièce en composite selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque copeau (1) a une épaisseur (e) et une plus grande dimension (d) mesurable en surface du copeau telles que le ratio (e)/(d) est compris entre 0,05 et 0,0005.
6. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les fibres de carbone (3) s’étendent majoritairement dans des plans parallèles.
7. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les copeaux présentent un agencement unidirectionnel des fibres de carbone (3).
8. Pièce en matériau composite selon la revendication 7, dans laquelle les copeaux sont orientés de sorte que les fibres de carbone (3) de la pièce sont sensiblement orientées dans une même direction.
9. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle les copeaux sont orientés de sorte que les fibres de carbone (3) de la pièce sont sensiblement orientées selon deux directions distinctes seulement, par exemple une première direction et une deuxième direction formant un angle de 90° entre elles.
10. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les copeaux sont disposés selon un motif répétitif.
11. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les copeaux (1) ont sensiblement la même forme et les mêmes dimensions.
12. Pièce en matériau composite selon la revendication 11 , dans laquelle les faces (4) de chaque copeau (1) sont sensiblement de forme rectangulaire.
13. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’épaisseur des copeaux est comprise entre 200 pm et 1 mm.
14. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, ladite pièce comportant des zones fibreuses, formées par les copeaux et représentant entre 20 % et 85 % en volume de la pièce et des zones non fibreuses, constituées de l’adhésif rapporté et durci lors du deuxième durcissement, formant le reste de la pièce.
15. Pièce en matériau composite comportant :
- une pluralité de zones comportant des fibres de carbone et un premier adhésif, les fibres de carbone présentant une orientation non aléatoire au sein d’une même zone, lesdites zones comportant des fibres de carbone ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles, et l’ensemble des fibres de carbone desdites zones comportant des fibres de carbone étant orientées selon des plans sensiblement parallèles, et
- au moins une zone dépourvue de fibres de carbone, comportant un second adhésif, la pluralité de zones comportant des fibres de carbone et un premier adhésif étant au moins en partie incluse dans la au moins une zone dépourvue de fibres de carbone comportant un second adhésif.
16. Pièce en matériau composite selon la revendication 15, dans laquelle les fibres de carbone (3) sont orientées de manière sensiblement parallèle, orthogonale et/ou à 45° au sein d’une même zone.
17. Pièce en matériau composite selon l’une des revendications précédentes, ladite pièce étant un panneau plan ou courbe.
18. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, ledit procédé comportant les étapes de :
- fourniture d’un matériau composite comportant des fibres de carbone (3) dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement;
- découpe du matériau composite en copeaux (S1), chaque copeau (1) ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces (4) opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone (3) au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces (4) opposées du copeau; - enduction (S2) des copeaux par un adhésif ;
- disposition des copeaux (S7) de sorte à constituer un enchevêtrement de copeaux ;
- durcissement (S11) de l’adhésif liquide, dit deuxième durcissement.
19. Pièce en matériau composite susceptible d’être obtenue par un procédé de fabrication selon la revendication 18.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004148796A (ja) * 2002-09-03 2004-05-27 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材の製造方法並びに再生成形材、再生構造材、合成まくら木および軽量合成木材
JP2004338228A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材の製造方法
JP2006198809A (ja) * 2005-01-18 2006-08-03 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材及び再生成形材の製造方法
US20210370550A1 (en) * 2020-05-28 2021-12-02 ZED Services LLC Reclaiming and Remanufacturing Fiber Reinforced Polymer Composite Structures
WO2021259757A1 (fr) * 2020-06-22 2021-12-30 Solvay Specialty Polymers Usa, Llc Compositions de paek renforcées comprenant des fibres de carbone recyclées

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004148796A (ja) * 2002-09-03 2004-05-27 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材の製造方法並びに再生成形材、再生構造材、合成まくら木および軽量合成木材
JP2004338228A (ja) * 2003-05-15 2004-12-02 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材の製造方法
JP2006198809A (ja) * 2005-01-18 2006-08-03 Sekisui Chem Co Ltd 再生成形材及び再生成形材の製造方法
US20210370550A1 (en) * 2020-05-28 2021-12-02 ZED Services LLC Reclaiming and Remanufacturing Fiber Reinforced Polymer Composite Structures
WO2021259757A1 (fr) * 2020-06-22 2021-12-30 Solvay Specialty Polymers Usa, Llc Compositions de paek renforcées comprenant des fibres de carbone recyclées

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