FR3130819A1 - Pièce en matériau composite recyclé et procédé de fabrication - Google Patents

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.Figure pour l’abrégé : figure 5

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 peroxyacétique. 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.

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.

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 µm et 1mm.

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, et l’ensemble des fibres de carbone desdites zones 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 , 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 , 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 représente schématiquement, selon un schéma de blocs, un procédé conforme à un mode de réalisation de l’invention ;
la représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite aléatoire pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
la représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite unidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
la représente, de manière schématique, une disposition de copeaux dite bidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
la 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 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.

La 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 µm et 1mm, de préférence entre 200 µm et 500 µm.

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 µm et 500 µm, 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 . La 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 . 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 α 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 . 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 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 , 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.

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 manipulable 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 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 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 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 .

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 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 l 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 .

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.

Matériau	Densité (g/cm^3)	Performances sens longitudinal (0°)	Performances sens transversal (90°)	Performances 45°
		Module de flexion (en GPa)	Contrainte à la rupture (en MPa)	Module de flexion (en GPa)	Contrainte à la rupture (en MPa)	Module de flexion (en GPa)	Contrainte à la rupture (en MPa)
Aluminium (5754 H22)	2,7	70	300	70	300	70	300
Bois (Hêtre)	0,8	14	110	10	100	12	100
Plaque Carbone UD	1,45	150	1500	5	40	10	100
Plaque Carbone Bidirectionelle	1,45	65	700	65	700	40	300
Plaque UD1 (50%wt. de copeaux)	1,3	57	616	-	-	-	-
Plaque UD2 (65%wt. de copeaux)	1,3	85	750	4	40	10	100
Plaque BD1	1,3	65	500	15	200	10	100
Plaque BD2	1,3	35	400	35	400	-	-

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 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

Claims (19)

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 µm 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, et l’ensemble des fibres de carbone desdites zones 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.