Complexe textile pour matériaux composites et son procédé de fabrication

Abstract

 Complexe textile pour matériaux composites notamment, et son procédé de fabrication.
L'objet de l'invention se rattache au secteur technique des méthodes de tissage.
Le complexe textile selon l'invention comporte au moins deux nappes planes dont les directions étant maintenues en position jointive par un moyen de liage (1) orienté de telle sorte qu'il coupe au moins les directions des fibres des nappes, les plus externes ou complexes.

Description

[0001] L'objet de l'invention se rattache au secteur technique des méthodes de tissage.

[0002] L'invention concerne un complexe textile en nappes, tels que par exemple les polyesters renforcés par un tissu de verre. De tels matériaux sont bien connus et d'usage courant. En général, ils sont renforcés par un tissu dans lequel les fils de trame et les fils de chaîne sont régulièrement entrelacés. Le plus souvent pour des raisons mécaniques, les fils de trame et les fils de chaîne sont orthogonaux.

[0003] Ces tissus présentent des inconvénients résultant notamment de l'entrelacement des fils de chaîne et de trame et de leur orientation à angle droit.

[0004] Du fait de l'interpénétration des nappes de chaînes et de trame, les fils ne sont pas rectilignes, mais présentent une certaine ondulation, de sorte qu'ils n'offrent pas, dans le sens de leur longueur, leurs caractéristiques mécaniques maximales.

[0005] Du fait du positionnement à 90° des fils de trame et des fils de chaîne, le complexe ne présente des résistances que dans deux directions orthogonales, celles de fils de chaîne et des fils de trame, qui offrent de 70 à 75 % de la résistance nominale des fils s'ils étaient rectilignes. Selon une direction diagonale par rapport à ces deux précédentes directions, le renfort tissé n'offre que moins de 25 % de la résistance des fils qui la composent.

[0006] Des procédés sont connus pour ajouter à un renfort fibreux composé de deux nappes unidirectionnelles non tissées au moins une nappe de fils en trame diagonale. Cependant, ces procédés sont compliqués soit en raison du dessin de la trame diagonale, soit en raison du procédé.

[0007] On peut citer par exemple le Brevet français 2.522.027 qui fait état d'un support textile dont la structure comprend une nappe de fils de chaîne composés et une nappe de fils de trame, ces deux nappes étant déposées l'une sur l'autre, sans interpénétration. En trames diagonales, il y a au moins deux nappes composées chacune d'une pluralité de fils. Les fils des deux nappes de trames diagonales sont de directions opposées de façon répétitive formant ainsi des chevrons opposés, dont chacun n'occupe qu'une partie de la largeur du support fibreux. La répétition de ces dessins en chevrons fait que les chevrons se raccourcissent dans le sens de la longueur et dans le sens de la largeur du renfort fibreux ainsi formé. Cependant, la trame diagonale n'est pas unidirectionnelle.

[0008] Ce type de sructure permet de ne déposer les nappes de trames diagonales que sur une seule face d'un support fibreux si nécessaire. Par contre, la trame diagonale est, selon une direction, divisée en plusieurs portions de fils de moins bonnes qualités qu'un fil d'un seul tenant traversant toute la largeur du support fibreux.

[0009] L'ensemble des nappes de ce support fibreux connu est maintenu par des fils de liage, en chaînettes, avec les nouages nécessaires.

[0010] Enfin, dans les renforts ou complexes tissés, les fils ou fibres, compte tenu de leur entrelacement, ne glissent pas les uns par rapport aux autres, malgré certaines armures adaptées. Les possibilité de déformation importantes sont donc réduites avec des risques de rupture des fils sollicités ou de formation de plis lors de la mise en forme. Or les applications actuelles ou envisagées pour des matériaux composites renforcés par fibres nécessitent et exigent de plus en plus :
- une bonne déformabilité, afin d'être éventuellement emboutis selon des formes complexes et profondes ;
- des résistances selon plusieurs directions prédéterminées par l'utilisation et non plus par les seules directions des fils de chaîne et de trame ;
- dans certains cas, une finesse du renfort, dans le sens de son épaisseur, ce que ne permettent pas les supports connus selon lesquels il faut empiler des tissus selon les différentes directions de résistance maximales demandées.

[0011] Les problèmes étant ainsi posés, l'invention s'est fixée pour but de remédier aux inconvénients cités en apportant une solution sous forme d'un complexe textile unitaire présentant des résistances selon autant de directions qu'il y a de nappes et plus généralement selon au moins deux directions non orthogonales.

[0012] Ce complexe textile est constitué par une pluralité de nappes planes unidirectionnelles, déposées les unes sur les autres sans interpénétration, lesdites nappes étant maintenues entre elles par un fil de liage orienté de telle sorte qu'il coupe les directions des fils ou fibres des nappes. Dans chaque nappe, les fils ou fibres sont disposés à plat d'une manière rectiligne, pour offrir, dans la direction où ils ou elles sont disposés, les propriétés optimales de résistance.

[0013] Compte tenu de cette structure, les fils ou fibres des nappes peuvent facilement se déplacer les uns par rapport aux autres, ce qui permet l'éventuel emboutissage du complexe ainsi obtenu.

[0014] Le complexe textile multidirectionnel selon l'invention, comporte des nappes de fils ou fibres orientées et liées à un procédé de tissage unique et indépendant pour chaque nappe.

[0015] Une nappe directionnelle, selon une orientation donnée, n'est plus formée par une navette, mais est exécutée en déposant alternativement un ou plusieurs fils ou fibres entre les griffes de deux chaînes sans fin disposées latéralement, d'une manière parallèle à l'axe de fabrication. La dépose des fils ou fibres s'effectue selon l'angle désiré, la vitesse d'avance des chaînes porte-griffes étant égale à celle de fabrication du complexe textile. L'écartement des griffes des chaînes, permet une dépose juxtaposée des fils ou fibres dans le complexe.

[0016] L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des dessins annexés qui représentent par des vues à caractères essentiellement schématiques, le procédé de fabrication et des exemples de réalisation du complexe textile.

La figure 1 montre par une vue en perspective le procédé de fabrication notamment l'assemblage des nappes unidirectionnelles.

Les figures 2 et 3 sont des vues en plan d'exemples nullement limitatifs du complexe textile selon l'invention.

La figure 4 montre un exemple de procédé de pose du fil de liage dans le cas d'un complexe conforme à celui de la figure 3.

La figure 5 montre un exemple du procédé de réalisation d'une nappe unidirectionnelle dont les fils ou fibres sont orientés angulairement, en "diagonale".

[0017] Selon l'invention, le complexe textile est réalisé à partir de plusieurs nappes indépendantes (N1, N2, N3, N4, ...), composées chacune d'une pluralité de fils ou fibres unidirectionnelles. Les fils ou fibres de chaque nappe, sont orientés selon une direction angulaire déterminée et différente pour chacune desdites nappes et n'ont aucune interférence ou pénétration avec les nappes qui lui sont contigues.

[0018] D'autre part, les fils ou fibres sont disposés à plat, d'une manière rectiligne et offrent, dans la direction où ils sont disposés, leur propriétés optimales. L'ensemble des nappes (N1, N2, N3, N4, ...) est maintenu par un ou plusieurs fils de liage (1) orienté de telle sorte qu'il coupe les directions des fils ou fibres des nappes.

[0019] Il convient, dans un premier temps, de décrire le procédé de fabrication du complexe textile en se référant à la figure 1 notamment.

[0020] Les différentes nappes unidirectionnelles (N1, N2, N3, N4, ...) sont exécutées chacune dans une première zône (Z1) du procédé de fabrication, avant d'être superposées (Zône Z2), puis maintenues ensemble (Zône Z3) par le ou les fils de liage. Dans l'exemple illustré, le complexe est exécuté à partir de quatre nappes distinctes, à savoir, par ordre de superposition:
- une nappe (N1) composée de fils ou fibres (2) disposés angulairement par rapport aux lisières afin de constituer une trame dite "diagonale" ;
- une nappe (N2) composée de fils ou fibres (3) disposés perpendiculairement aux lisières pour constituer une trame "normale" ;
- une nappe (N3) composée de fils ou fibres (4) disposés en chaîne ;
- une nappe (N4) composée de fils ou fibres (5) disposés angulairement par rapport aux lisières afin de constituer une trame dite "diagonale" orientée d'une manière inverse à celle de la nappe (N1).

[0021] Les nappes (N1), (N2) et (N4) sont obtenues chacune par tramage d'un seul fil ou fibre selon un procédé qui sera décrit ultérieurement et apte à donner l'orientation angulaire désirée des fils. La nappe (4) est obtenue d'une manière classique.

[0022] Dans la zône (Z2), les différentes nappes sont rapprochées en superposition et maintenues en légère contrepression par tout moyen connu et approprié. A ce niveau, le complexe textile n'est pas encore opérationnel, étant donné que les nappes ne sont pas liées.

[0023] A la sortie de cette zône (Z2), symbolisée par l'axe transversal (Y - Y′), sont disposés les fils de liage (1) au moyen par exemple d'un jeu d'aiguilles (6). Le complexe textile ainsi fabriqué est ensuite enroulé sur un cylindre (7) par exemple.

[0024] Concernant la pose des fils de liage (1), ces derniers peuvent être disposés de différentes manières, quelle que soit la structure du complexe, à la seule condition que lesdits fils intersectent les fils ou fibres des nappes unidirectionnelles constituant les faces externes de dessus et de dessous dudit complexe. Dans l'exemple de la figure 1, il s'agit des nappes (N1) et (N4).

[0025] Il apparaît donc nécessaire, lorsque les fils de liage (1) sont parallèles aux fils de chaîne de l'une ou de plusieurs nappes, que les fils ou fibres des nappes externes soient disposés en trame, avec une orientation angulaire quelconque. Cependant, pour certaines applications de matériaux composites, il est nécessaire que le complexe soit d'épaisseur réduite et/ou ne demande que deux directions isotropiques selon des orientations des fils ou fibres déterminées.

[0026] la figure 4 montre un exemple particulier du complexe textile composé seulement de deux nappes unidirectionnelles, à savoir une nappe avec des fils de chaîne (4) et une nappe avec des fils (5) disposés en trame dite "diagonale". Les fils (4) et (5) de chacune des nappes, sont donc orientés angulairement entre eux, selon un angle différent de 90 %.

[0027] Avec ce type de structure, afin que les nappes unidirectionnelles soient maintenues entre elles, les fils de liage (1) ne peuvent être disposés parallèlement aux fils de chaîne (4), mais transversalement à ces derniers tout en croisant les fils de trame diagonale (5).

[0028] Dans ce cas, il y a un seul fil de liage (1) qui constitue successivement, à intervalles réguliers, des sections transversales droites (1a) réunies en alternance par des sections (1b) qui s'étendent parallèlement aux fils de chaîne. Bien évidemment, ce sont les différentes sections transversales (1a) qui assurent le maintien des deux nappes entre elles.

[0029] Ce type de liage, sous forme de créneaux, peut être obtenu par tout moyen connu et approprié. Par exemple des moyens de mise en oeuvre sont représentés schématiquement à la figure 4.

[0030] Au niveau de la zône (Z2), à la hauteur de l'axe transversal (Y - Y′), un moyen (8), du type machine à coudre, est monté sur un châssis suport (9), mobile en translation, et qui s'étend sur toute la largeur du complexe. La machine à coudre est elle-même montée avec capacité de déplacement transversal (10), le long du châssis support (1) de façon à effectuer les sections droites (1a) du fil de liage.

[0031] Au fur et à mesure de la formation d'une section transversale droite (1a), le support mobile (9) se déplace axialement le long du complexe textile en direction du cylindre d'enroulement (7) et à la même vitesse que ledit complexe. Ce mouvement de déplacement du support (9) qui accompagne le complexe, permet d'orienter les sections transversales (1a) du fil de liage selon une direction choisie qui peut être en équerre (cas de la figure 4) ou en diagonale, à la seule condition de couper les deux directions des fils de chacune des nappes.

[0032] Après formation d'une section (1a), le support (9) est déplacé axialement, en sens opposé à celui du complexe, c'est-à-dire en éloignant du cylindre d'enroulement (7), pour former la section (1b) qui s'étend parallèlement à la nappe des fils de chaîne (4). La machine à coudre forme ensuite une nouvelle section transversale (1a) et ainsi de suite.

[0033] On prévoit d'équiper le support mobile (9) de plusieurs machines à coudre (8) compte tenu de la largeur désirée du complexe fibreux. Ces machines à coudre forment dans ce cas, chacune une section droite transversale (1a) sur une partie seulement de la largeur du complexe. les zônes de travail de chaque machine sont déterminées pour assurer la continuité des sections droite (1a) des fils de liage.

[0034] Comme indiqué précédemment, en amont de la zône (Z2), les différentes nappes sont exécutées selon différents procédés en fonction de l'armure désirée pour chacune desdites nappes unidirectionnelles. La figure 5 illustre un mode d'exécution.

[0035] La ou les nappes composées de fils de chaîne (4) sont réalisées d'une manière classique, par tout procédé connu. En ce qui concerne la formation des nappes unidirectionnelles avec des fils ou fibres disposés transversalement, chacune desdites nappes coopère avec un dispositif composé essentiellement de deux chaînes ou courroies sans fin parallèles (11) et (12), et disposées selon l'axe de fabrication du complexe, parallèlement aux fils de chaîne.

[0036] Chaque système de chaîne sans fin (11 - 12) est disposé latéralement le long des lisières des nappes correspondantes.

[0037] Des crochets ou griffes (13) sont montés en débordement des chaînes (11) et (12) qui sont en outre assujettis à des poulies ou pignons motorisés pour être entraînées linéairement dans le même sens que celui de déplacement du complexe. La disposition et le nombre de griffes (13) sont déterminés en fonction de l'orientation angulaire désirée par la trame diagonale.

[0038] Un donneur (14) situé en amont de chaque nappe unidirectionnelle diagonale, en combinaison avec le système de chaîne sans fin, permet d'alimenter la nappe correspondante en fils ou fibres. Ce donneur (14) est conformé pour accrocher le fil de trame (5) alternativement et successivement sur une griffe de la chaîne sans fin (11) puis sur une griffe de la chaîne sans fin (12). Le donneur (14) est en outre orienté angulairement en fonction du degré d'inclinaison désiré pour la trame.

[0039] D'une manière correspondante, les chaînes ou courroies sans fin (11) et (12) de chaque système, sont décalées dans le sens longitudinal du complexe. Les différentes nappes de trame sont donc fabriquées indépendamment des autres nappes.

[0040] Pour déposer la ou les nappes de trame ainsi exécutées sur par exemple la nappe de chaînes, au niveau de la zône (Z2), il est nécessaire de dégager cette trame des griffes (13). Cela s'effectue facilement et automatiquement, notamment au niveau du basculement, en bout de chaîne, des griffes (13). Les systèmes de chaînes ou courroies sans fin (11 - 12) peuvent avoir un plan de travail olbique par rapport au plan de travail horizontal de la nappe de cahîne, ou bien un plan de travail parallèle.

[0041] Les dispositifs à chaîne sans fin (11 - 12) avec donneur (14), dont le nombre correspond au nombre de nappes de trame désirées, peuvent donc être disposés soit en série le long de la nappe de chaîne, soit en superposition.

[0042] Compte tenu de cette conception spécifique du complexe et de son procédé de fabrication, les principaux avantages en résultant sont les suivants :

[0043] Les fils ou fibres unidirectionnelles d'une nappe n'ont aucune pénétration ou interférence avec les nappes qui lui sont contigues et sont disposés à plat d'une manière rectiligne et offrent de ce fait, dans la direction où elles sont disposées, les propriétés optimales.

[0044] De part cette disposition à plat des fils ou fibres, le complexe ne comporte pas d'espaces "creux" dans lesquels pourraient s'emmagasiner des éléments de la matrice et contribueraient à faire chuter les caractéristiques du matériau par une mauvaise proportion fibres/matrices. Cette disposition favorise en outre une bonne mouillabilité des fibres, la matrice se propageant bien par capillarité.

[0045] Les nappes étant mainteues par un fil de liage non bridé, le complexe obtenu présente des caractéristiques de déformabilité telles qu'il devient emboutissable sans rupture de fibres. Celles-ci se tendent améliorant les caractéristiques mécaniques du matériau. Les angles différentes des nappes se maintiennent pendant la déformation.

[0046] Le fil de liage maintient les nappes du renfort permettant ainsi la découpe du renfort sec suivant un "patron" nécessaire à la réalisation d'une pièce sans désordonner l'orientation des nappes.

[0047] A partir de cette conception de base du complexe, différentes variantes d'exécution peuvent entrer dans le cadre de l'invention, comme indiqué ci-après :

[0048] Le nombre de nappes n'est limité que par l'épaisseur mouillable par la matrice. Les nappes ayant chacune leur propre système de mise en place, elles peuvent être de nature différente (fibre) et suivant un angle propre.

[0049] L'ordre d'empilement des nappes n'est pas fixe et est aménagé en fonction des applications visées. Seule la nappe composée de fils de chaîne, dans le cas d'un complexe avec au moins trois couches, doit être prise en sandwich entre les deux autres nappes.

[0050] On prévoit de disposer entre les nappes unidirectionnelles, des feuilles de complexe en fibres courtes du type voile ou mât, afin de donner au complexe plus d'épaisseur sans le charger en fibres longues et améliorer ainsi le module de flexion.

[0051] La nature des fils ou fibres composant chacune des nappes, peut être très diverse. Par exemple, le complexe textile selon l'invention, peut être constitué d'une variété de fibres longues, fils ou mèches, qui peuvent être utilisées seules ou en combinaison, tel que par exemple une nappe en fibre de carbone, une nappe en fil d'acier, une nappe en fibre de verre et un mât de fibres courtes dans un même renfort, lié par un monofilament polyamide.

[0052] Le procédé selon l'invention permet notamment d'utiliser les fibres de bore et de carbure de silicium dont les caractéristiques sont intéressantes, mais qui jusqu'à présent n'étaient pas utilisables dans des renforts fibreux connus, compte tenu de leur fragilité au frottement, les rendant non utilisables.

Revendications

-1- Complexe textile pour matériaux composites notamment comprenant plusieurs nappes de fils ou fibres unidirectionnelles superposées, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux nappes planes dont les directions des fils ou fibres sont intersectées, lesdites nappes étant maintenues en position jointive par un moyen de liage (1) orienté de telle sorte qu'il coupe au moins les directions des fibres des nappes, les plus externes ou complexes.

-2- Complexe selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque nappe est composée d'un ou de plusieurs fils ou fibres unidirectionnels orientés selon une direction angulaire déterminée différente pour chacune desdites nappes en n'ayant aucune interpénétration avec les nappes qui lui sont contigues.

-3- Complexe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux nappes unidirectionnelles dont l'une est composée de fils ou fibres divisés en chaîne (4) et l'autre d'au moins un fil ou fibre (5) disposé en trame dite "diagonale", lesdites nappes étant maintenues entre elles par au moins un fil de liage (1) convenablement orienté afin de croiser la direction des fils ou fibres de chaîne (4) et des fils ou fibres de trame (5).

-4- Complexe selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fil de liage constitue successivement à intervalles réguliers, des sections transversales droites (1a) qui coupent les fils de chaîne (4) et le ou les fils de trame (5), lesdites sections étant réunies en alternance par des sections (1b).

-5- Complexe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois nappes unidirectionnelles avec une nappe composée de fils ou fibres disposés en chaîne (4), ladite nappe de chaîne étant disposée entre les deux autres nappes composées chacune d'au moins un fil ou fibre disposé en trame dite "diagonale (2) et (5) et dont les directions se coupent, l'ensemble desdites nappes étant maintenu en position jointive par au moins un fil de liage (1) parallèle aux fils ou fibres de chaîne (4).

-6- Complexe selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 5, caractérisé en ce que la ou les nappes, autre que la ou les nappes composées de fils ou fibres disposés en chaîne, sont obtenues chacune par tramage d'au moins un fil ou fibre assujetti à des moyens aptes à donner l'orientation angulaire désirée desdits fils ou fibres.

-7- Complexe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de nappes de fils ou fibres unidirectionnels maintenus en superposition d'une manière jointive, l'orientation angulaire du ou des fils ou fibres composant chacune desdites nappes étant prédéterminée afin d'obtenir le caractère isotrope de résistance selon lesdites orientations, ce caractère isotrope étant indépendant de l'ordre de superposition desdites nappes.

-8- Procédé de fabrication du complexe textile selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, pour matériaux composites notamment comprenant plusieurs nappes de fils ou fibres unidirectionnelles superposées, caractérisé par les étapes essentielles suivantes :
- on réalise séparément chacune des nappes unidirectionnelles (N1, N2, 3, N4, ...) ;
- on superpose lesdites nappes ;
- on maintient lesdites nappes en position jointive par un mo­yen de liage (1) n'ayant aucune fonction mécanique dans le complexe.

Dessins