FR3164409A1

FR3164409A1 - Procédé d’extraction depuis une pièce d’un élément en matériau composite, procédé de recyclage et procédé de réparation

Info

Publication number: FR3164409A1
Application number: FR2407694A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Saada; Michael William GAULTOIS
Original assignee: Fairmat
Current assignee: Fairmat
Priority date: 2024-07-12
Filing date: 2024-07-12
Publication date: 2026-01-16
Also published as: WO2026013362A1

Abstract

L’invention concerne un procédé d’extraction depuis une pièce d’un élément en matériau composite comportant des renforts conducteurs électriques inclus dans une première matrice comportant des étapes de : fourniture de la pièce (E1), la pièce comportant ledit élément en matériau composite, ledit élément en matériau composite étant inclus dans une deuxième matrice ;application (E3) sur ledit élément, par balayage d’une surface de la pièce, d’un plasma atmosphérique, en une ou plusieurs passes, de sorte à éliminer ladite deuxième matrice autour dudit élément, etextraction (E4) de l’élément de ladite pièce. L’invention porte également sur un procédé de recyclage d’une pièce et sur un procédé de réparation d’une pièce qui mettent en œuvre un tel procédé d’extraction. figure pour l’abrégé : figure 1.

Description

Procédé d’extraction depuis une pièce d’un élément en matériau composite, procédé de recyclage et procédé de réparation

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne le domaine des matériaux composites. Elle porte notamment sur le domaine des procédés de recyclage et de réparation de certaines pièces en matériau composite, en particulier réalisées en matériau composite comportant des fibres de carbone ou d’autres renforts.

Elle est expliquée ci-après en référence aux matériaux composites comportant des fibres de carbone, qui constituent une application préférentielle de l’invention.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

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, formant des renforts. Ces fibres de carbone sont incluses dans une matrice.

Les fibres de carbone peuvent être incluses dans la matrice selon diverses configurations, 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. 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, on appellera également « résine » les colles et adhésifs utilisés comme matrice dans un matériau composite.

La présente invention peut être utilisée avec des matériaux composites dont la matrice comporte un polymère thermodurcissable ou thermoplastique. 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 »).

Il est également courant d’utiliser une résine polyuréthane (ou résine PU) comme matrice d’un matériau composite. Chimiquement parlant, une résine polyuréthane (PU) est un polymère formé par la réaction de polyaddition d'un diisocyanate ou polyisocyanate avec un polyol (alcool à plusieurs fonctions).

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 étant nombreuses et de plus en plus répandues, la question du recyclage de ces matériaux se pose.

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 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 dans de la résine neuve.

Les morceaux de matériau 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).

En effet un tel procédé réduit fortement la longueur des fibres récupérées, de sorte qu’un matériau utilisant le résultat du broyage comme renfort a de très faibles propriétés mécaniques comparativement à un matériau utilisant des fibres de carbone vierges.

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 moins bonnes 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.

Les différents procédés de solvolyse présentent néanmoins certains inconvénients.

Ils utilisent des quantités importantes de solvants qui doivent par ailleurs faire l’objet d’un traitement ultérieur, sont potentiellement énergivores ou ont un faible rendement, ou sont complexes et onéreux.

Enfin, le recyclage thermique consiste dans son principe à dégrader thermiquement la résine d’un matériau composite pour 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, ou 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.

Dans ce contexte, la Demanderesse propose dans le document FR3130819, pour recycler des pièces en matériau composite, de les découper en copeaux de faible épaisseur ayant une organisation particulière des fibres dans chaque copeau, puis d’inclure ces copeaux dans une nouvelle matrice pour former une nouvelle pièce en matériau composite.

Les pièces formées en matériau composite ainsi recyclé peuvent avoir des caractéristiques mécaniques bien meilleures que les pièces obtenues par les procédés de recyclage connus précédemment.

En outre, une pièce en matériau composite peut être formée comme cela est décrit dans FR3130819, ou, de manière plus générale, certaines pièces peuvent inclure des éléments eux-mêmes en matériau composite.

Il existe un besoin de pouvoir de nouveau recycler les pièces ainsi formées, par exemple en récupérant les différents éléments (copeaux ou autres éléments) pour former de nouvelles pièces. En outre, en cas de détérioration locale d’une pièce en matériau composite comportant plusieurs éléments (copeaux ou autres éléments), il serait intéressant de pouvoir récupérer le ou les éléments détériorés afin de pouvoir réparer la pièce en remplaçant le ou les éléments détériorés par un ou des éléments neufs.

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’état de la technique évoqués ci-dessus.

À cet effet, l’invention vise un procédé d’extraction depuis une pièce d’un élément en matériau composite comportant des renforts conducteurs électriques inclus dans une première matrice.

Ce procédé comporte des étapes de :

fourniture de la pièce, la pièce comportant ledit élément en matériau composite, ledit élément en matériau composite étant inclus dans une deuxième matrice ;
application sur ledit élément, par balayage d’une surface de la pièce, d’un plasma atmosphérique, en une ou plusieurs passes, de sorte à éliminer ladite deuxième matrice autour dudit élément ; et
extraction de l’élément de ladite pièce.

Par plasma atmosphérique, on entend un plasma qui est créé et utilisé dans des conditions de pression atmosphérique, par opposition au plasma basse pression qui requiert un équipement capable de créer une faible pression dans laquelle le plasma est généré.

Le plasma atmosphérique est également appelé « plasma froid », car il est mis en œuvre à des températures plus basses que celles nécessaires à d'autres procédés, ce qui permet de traiter des matériaux sensibles à la chaleur et de réduire la consommation énergétique.

De manière générale, le plasma est constitué d'un ensemble de particules chargées, y compris des électrons libres et des ions, et il peut être formé en ajoutant de l'énergie à un gaz (par exemple de l’air), ce qui entraîne l'ionisation des molécules ou des atomes du gaz. Le plasma atmosphérique peut donc se définir comme un nuage de gaz ionisé généré et maintenu dans des conditions de pression atmosphérique.

Il est connu dans l’état de la technique d’utiliser un traitement par plasma atmosphérique pour traiter la surface d’une pièce en matériau composite, par exemple pour permettre le collage de deux pièces entre elles. Il est ainsi connu d’utiliser le plasma pour modifier les caractéristiques de surface des matériaux polymères (notamment) pour améliorer l'adhérence de peintures ou de colles.

En particulier, le document US9352355 propose un procédé permettant d’araser et de traiter la surface d’un substrat en projetant sur la surface traitée simultanément des particules de CO2 et une source de rayonnement chauffant ionisant tel qu’un plasma. Le traitement proposé dans ce document vise à se substituer aux traitement chimiques de la surface des polymères destinés à en augmenter les propriétés d’adhésion.

Néanmoins, la Demanderesse a découvert que le plasma atmosphérique pouvait être utilisé pour séparer un élément inclus dans une pièce en matériau composite.

En effet, sans toutefois limiter nécessairement l’explication de la présente invention à cette théorie, le succès du procédé objet de la présente invention peut s’expliquer de la manière suivante. La fibre de carbone, ou certains autres renforts, ont un effet protecteur pour la résine qui l’entoure, qui peut être lié à la conductivité électrique du renfort, qui va de pair avec sa conductivité thermique (selon la loi de Wiedemann - Franz). Cette théorie est confirmée par des essais présentés ci-après menés sur des matériaux dont les renforts sont isolants.

On entend par matériau conducteur, un matériau qui présente une résistivité typiquement inférieure à environ 10^- ⁴Ω·m. Cette valeur de résistivité correspond, corolairement, à conductivité minimale métallique de Mott pour les semi-conducteurs, qui est un concept qui établit la valeur de conductivité en dessous de laquelle un matériau peut être considéré comme un isolant, et au-dessus de laquelle il est considéré se comportant comme un métal. Les matériaux conducteurs considérés dans l’invention incluent donc les métaux usuels ainsi que d'autres matériaux tels que la fibre de carbone.

Ainsi, en appliquant un plasma atmosphérique au niveau de l’élément que l’on souhaite extraire de la pièce, la matrice de la pièce qui inclut l’élément peut être éliminée efficacement, tandis que l’élément conserve sa cohésion car la matrice de l’élément est au moins en partie préservée.

Le procédé permet ainsi une extraction peu ou pas destructive d’un élément depuis une pièce en matériau composite. Ainsi, le procédé permet d'enlever la résine englobant l’élément tout en gardant les fibres en place, ce qui préserve leur ordre et minimise potentiellement les dommages sur les fibres elles-mêmes grâce à l'utilisation d'un procédé à plus basse température (que les procédés thermiques connus).

Le procédé proposé présente ainsi des avantages comparativement par exemple aux procédés connus de récupération de fibres fondés sur la pyrolyse, qui consomment beaucoup d'énergie et endommagent les fibres. En outre, après pyrolyse, le produit final est constitué de fibres sèches, qui sont difficiles à travailler et finissent par être désordonnées, tandis que le procédé proposé préserve les fibres et leur ordonnancement.

Cela permet un retrait d’éléments comportant des renforts inclus dans une résine, dans divers buts.

Les éléments extraits selon le procédé peuvent être réutilisés pour fabriquer de nouveaux produits.

Le procédé proposé est écologique, notamment car l'énergie consommée par le plasma atmosphérique froid est faible du fait que seuls les électrons du plasma sont chauffés, et non le gaz de transport.

Le plasma atmosphérique utilisé peut être un plasma de décharge à barrière diélectrique, un jet de plasma à pression atmosphérique, un plasma généré par décharge Corona, un plasma généré par aiguille à plasma, ou un plasma généré par crayon à plasma.

Ces solutions sont particulièrement adaptées à l’application du plasma à la surface de la pièce dont on veut extraire un élément. Toute solution permettant de former un plasma froid est cependant théoriquement utilisable dans le cadre de la présente invention.

L’étape d’extraction peut être réalisée à l’aide d’un robot préhenseur.

Le robot préhenseur peut comporter un moyen de prise par aspiration, par exemple à ventouse, ou par adhésion à l’élément en matériau composite.

L’extraction par un robot permet une récupération automatique, rapide et précise de l’élément. Dans le cas où l’extraction est répétée sur plusieurs, voire tous, les éléments de la pièce, l’extraction automatisée des éléments permet d’envisager une récupération rapide, à une échelle industrielle, des éléments. Le procédé peut ainsi être utilisé dans le recyclage à grande échelle de pièces comportant des (ou constituée d’) éléments comportant des renforts inclus dans une matrice.

L’élément récupéré peut être un copeau ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, le 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, ledit adhésif durci constituant la première matrice, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces opposées du copeau.

Il est notamment possible de recycler ainsi les pièces obtenues selon le document FR3130819, en récupérant les copeaux que ces pièces contiennent, afin, le cas échéant, de former de nouvelles pièces. 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.

La deuxième matrice peut être une résine thermodurcissable ou thermoplastique ayant été durcie pour constituer la pièce.

La première matrice et/ou la deuxième matrice peut être une résine époxy.

La première matrice et/ou la deuxième matrice peut être une résine polyuréthane.

La première matrice et/ou la deuxième matrice peut être une résine thermoplastique.

La Demanderesse a réalisé avec succès le retrait d’éléments inclus dans des matrices de cette nature.

A titre d’exemple, la puissance générée par le plasma peut être comprise entre 200 W et 900 W, de préférence entre 570 W et 770 W.

A titre d’exemple également, la distance d’application du plasma est comprise entre 3 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 7 mm.

Encore à titre d’exemple le balayage (lors de l’étape d’application du plasma) peut être réalisé à une vitesse comprise entre 4 mm/s et 50 mm/s, de préférence entre 5 mm/s et 7mm/s.

Le nombre de passes peut être par exemple compris entre 1 et 20.

Dans un tel procédé, ces paramètres (puissance générée par le plasma, distance, vitesse de balayage, et nombre de passes) dépendent les uns des autres pour arriver au résultat souhaité, à savoir un retrait de l’élément sans l’endommager ou endommager son environnement.

Ainsi, le procédé peut comporter en outre une étape de sélection des paramètres d’application du plasma avant l’étape d’application, lors de laquelle la puissance générée par le plasma, la distance d’application du plasma, la vitesse de balayage et le nombre de passes sont déterminés.

La puissance générée par le plasma, la distance d’application du plasma, la vitesse de balayage et le nombre de passes peuvent être déterminés en fonction d’une puissance totale par unité de surface appliquée lors du procédé, selon ces paramètres (car elle dépend de ces paramètres).

L’étape de sélection des paramètres d’application peut utiliser une technique d’apprentissage automatique.

L’invention porte également sur un procédé de recyclage d’une pièce comportant des éléments en matériau composite comportant des renforts inclus dans une première matrice, lesdits éléments étant inclus dans une deuxième matrice, le procédé de recyclage comportant, pour tout ou partie des éléments en matériau composite de la pièce, une extraction de la pièce selon un procédé d’extraction tel que décrit précédemment, suivie d’une étape de remploi dudit élément comme renfort extrait dans une nouvelle matrice afin de réaliser le moulage une nouvelle pièce en matériau composite.

Il est ainsi possible de remployer, éventuellement de nombreuses fois, les mêmes éléments pour former plusieurs pièces en matériau composite dans le temps. Les éléments étant récupérés sans altération sensible des propriétés des fibres de renfort, les propriétés des pièces obtenues après recyclage restent parfaitement prédictibles.

Procédé de réparation d’une pièce comportant au moins un élément en matériau composite comportant des renforts inclus dans une première matrice, l’au moins un élément étant inclus dans une deuxième matrice, l’au moins un élément étant détérioré ou devant être remplacé préventivement, le procédé de réparation comportant une extraction de l’au moins un élément de la pièce par un procédé d’extraction tel que décrit ci-dessus, et la mise en place d’au moins un nouvel élément à la place de l’au moins un élément extrait et l’inclusion dudit au moins un nouvel élément dans une nouvelle matrice.

Le procédé proposé permet ainsi une réparation de certaines pièces en matériau composite, notamment des pièces formées comme cela est décrit dans le document FR3130819 et plus généralement de toute pièce formée d’éléments inclus dans une matrice. La qualité des pièces après réparation demeure inchangée, dans la mesure où l’élément ou les éléments sont remplacés à l’identique, sans détériorer leur environnement.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs et procédés objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

laFIG. 1est un logigramme d’un procédé d’extraction conforme à un mode de réalisation de la présente invention ;
laFIG. 2est un logigramme d’un procédé de recyclage conforme à un mode de réalisation d’un deuxième aspect de la présente invention ;
laFIG. 3est un logigramme d’un procédé de réparation d’une pièce comportant un élément en matériau composite, conforme à un mode de réalisation d’un troisième aspect de la présente invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION

La présente description est donnée à titre d’exemple de réalisation non limitatif.

LaFIG. 1représente sur un logigramme un procédé d’extraction conforme à un mode de réalisation de la présente invention.

Le procédé débute par une première étape de fourniture d’une pièce E1 de laquelle un élément doit être extrait. Cette pièce est une pièce en matériau composite, qui comporte des éléments inclus dans une matrice, qu’on désigne « deuxième matrice ». Les éléments ainsi inclus comportent des renforts ou d’autres éléments (par exemple des sous-composants de la pièce).

Les éléments comportent des renforts, par exemple des fibres de carbone, inclus dans une matrice, qu’on désigne première matrice. D’autres types de renforts peuvent être inclus, notamment des fibres ou mailles métalliques, par exemple en cuivre.

La première matrice peut être une matrice époxy. La deuxième matrice peut être une matrice époxy ou polyuréthane.

Des exemples de telles pièces sont décrits par exemple dans le document FR3130819.

La pièce est positionnée et immobilisée sur une surface de travail. Idéalement, cette surface de travail peut être située dans une enceinte fermée. Un dispositif d’aspiration peut être prévu afin d’extraire les vapeurs émises dans l’enceinte, pour leur traitement éventuel et leur évacuation.

Dans une étape d’application E3, on balaye la surface de la pièce, au niveau de l’élément à extraire, avec un plasma atmosphérique.

Le plasma atmosphérique, ou plasma froid, est généré par une machine dédiée, par exemple une machine disponible dans le commerce.

Différentes façons de générer un plasma froid peuvent être mises en œuvre par la machine utilisée. Le plasma peut être généré par de l'énergie thermique, électrique ou lumineuse. En général, la décharge nécessaire à la production de plasma atmosphérique est induite électriquement. Parmi les méthodes utilisées pour produire le plasma, on peut citer la décharge à barrière diélectrique (aussi connue sous le nom de décharge contrôlée par barrière diélectrique, DBD, ou décharge silencieuse), le jet de plasma à pression atmosphérique, la méthode du jet de plasma, la décharge Corona, l'aiguille à plasma et le crayon à plasma.

La buse par laquelle le plasma sort est montée sur un moyen automatisé, par exemple un bras robotique, permettant de réaliser le balayage de la surface souhaitée de la pièce de manière très précise, à une vitesse précise et constante, et en maintenant la buse à distance constante de la surface de la pièce.

Le plasma est appliqué en une ou plusieurs passes, avec une puissance, à une distance de la pièce, et avec une vitesse de balayage, déterminées selon l’application considérée. Des exemples de paramètres d’application du plasma permettant l’élimination locale de la deuxième matrice de sorte à pouvoir extraire l’élément souhaité sont donnés dans la section « exemples » ci-après. Ainsi, une étape de sélection de paramètres d’application E2 peut précéder l’étape d’application E3, notamment si les paramètres d’application du plasma doivent être adaptés à la pièce de laquelle on souhaite extraire un élément.

L'étape de sélection des paramètres d'application du plasma peut être optimisée à l'aide de techniques avancées de « machine learning » (apprentissage automatique) et d'autres méthodologies d'intelligence artificielle (IA).

Le machine learning permet à un système informatique d'apprendre et de s'améliorer à partir de données sans être explicitement programmé pour chaque situation spécifique. Dans le contexte de la présente invention, un algorithme de machine learning peut être entraîné sur un ensemble de données incluant différentes combinaisons de puissance générée par le plasma, distances d'application, vitesses de balayage et nombre de passes, ainsi que leur efficacité correspondante en matière d'extraction, selon la constitution de la pièce considérée (notamment la nature de la deuxième matrice ainsi que la constitution des éléments inclus, notamment la nature et la disposition des renforts dans ces éléments et la nature de la première matrice).

L'algorithme identifie dans ce cas des modèles complexes et dégage des relations causales qui peuvent ne pas être évidentes pour une analyse humaine. Une fois suffisamment formé, le système peut prédire les paramètres optimaux en fonction de la puissance totale par unité de surface souhaitée pour les matériaux composites spécifiques de la pièce sur laquelle on applique le procédé.

Outre le machine learning, d'autres techniques d’intelligence artificielle (IA) telles que les réseaux de neurones profonds peuvent être employées pour modéliser le procédé d’extraction. Les réseaux de neurones profonds sont constitués de multiples couches de neurones qui traitent les informations de manière hiérarchisée, simulant dans une certaine mesure le fonctionnement du cerveau humain. Cette structure est particulièrement efficace pour la prédiction de paramètres dans la situation complexe procédé.

L'intégration de ces techniques d'IA permet de réaliser une sélection automatique et dynamique des paramètres d'application du plasma, ce qui améliore de manière significative la précision, l'efficacité et la reproductibilité du procédé d'extraction pour divers matériaux composites. Ainsi, le procédé d'extraction peut être auto-adaptatif et auto-optimisant.

Une fois l’étape d’application terminée, l’élément à extraire est suffisamment dégagé de la deuxième matrice pour en être extrait. On réalise alors une étape d’extraction E4 de l’élément.

L’extraction est réalisée de préférence de manière automatisée. Un moyen particulièrement adapté pour réaliser cette extraction est un robot doté d’une ventouse, qui peut être une ventouse active, c’est-à-dire liée à un moyen permettant de générer une dépression dans la ventouse. La ventouse est posée au contact de la surface de l’élément à extraire, et la dépression est générée dans la ventouse, ce qui crée une force d’adhésion entre la ventouse et l’élément.

Un tel moyen permet d’extraire l’élément sans risque de le détériorer. Il ne nécessite pas de soulever préalablement un bord de l’élément à extraire en faisant levier pour pouvoir le saisir.

On évoque ci-dessus l’extraction d’un élément, mais il est bien évident que plusieurs éléments présents à la surface de la pièce, par exemple côte à côte, peuvent être extraits après une seule étape d’application, si la surface de ces éléments a été balayée lors de l’étape d’application, avec des paramètres et un nombre de passes adaptés.

LaFIG. 2représente un procédé de recyclage conforme à un mode de réalisation de ce second aspect de l’invention.

Le procédé de recyclage comporte dans ce mode de réalisation l’extraction, selon le procédé décrit en référence à laFIG. 1, d’au moins un élément de la pièce qui est recyclée, et éventuellement de tous les éléments inclus dans cette pièce.

Ainsi, après l’étape d’extraction E4, une nouvelle étape d’application E3 du plasma peut être menée pour extraire un (ou plusieurs) autre élément.

Une étape de moulage E5 des éléments extraits est alors réalisée. Cette étape peut suivre directement l’étape d’extraction E4, ou être menée bien après cette étape, et/ou sur un autre site.

Les éléments employés pour former la nouvelle pièce peuvent être tous issus d’un procédé d’extraction conforme à l’invention. Alternativement, ils peuvent être en partie issus d’un tel procédé et en partie être des éléments neufs ou formés par découpage mécanique d’une pièce en composite à recycler.

Lors du moulage, les éléments sont inclus dans une nouvelle matrice (typiquement une nouvelle résine) et sont ainsi utilisés comme renfort d’une nouvelle pièce en matériau composite.

Pour cela, les éléments peuvent être enduits avec une résine avant d’être placés dans un moule. De la résine peut également être introduite directement dans le moule.

Le moulage est avantageusement réalisé sous pression.

Une nouvelle pièce est alors obtenue, dans laquelle les éléments recyclés constituent tout ou partie des renforts de la nouvelle pièce.

LaFIG. 3représente un exemple de procédé de réparation selon un troisième aspect de l’invention.

Le procédé de réparation comporte la fourniture d’une pièce E1. Tout comme dans le procédé d’extraction décrit ci-dessus, cette pièce est une pièce en matériau composite, qui comporte des éléments inclus dans une matrice (deuxième matrice), et les éléments ainsi inclus forment des renforts ou d’autres éléments (par exemple des sous-composants) de la pièce). Ces éléments comportent eux-mêmes des renforts conducteurs inclus dans une première matrice.

La pièce à réparer comporte un ou plusieurs éléments endommagés. Nous supposons pour la suite de la description qu’un seul élément est endommagé.

Le procédé de réparation comporte l’extraction de l’élément endommagé, ici selon un procédé d’extraction tel que décrit en référence à laFIG. 1.

Une fois l’élément endommagé extrait de la pièce à réparer, le procédé comporte la fourniture d’un élément neuf E6, l’élément neuf correspondant (en termes de forme, dimension, etc.) bien évidemment à l’élément à remplacer.

Une étape de mise en place de l’élément neuf E7 est alors réalisée. Dans cette étape, l’élément neuf est positionné à la place de l’élément endommagé qui a été extrait et est immobilisé dans une matrice venant compléter la matrice de la pièce.

On obtient ainsi, après durcissement de la matrice autour de l’élément remplacé, une pièce en matériau composite réparée, dont les propriétés sont identiques ou très proches de celles de la pièce d’origine.

RESULTATS EXPERIMENTAUX

Les essais présentés ci-après ont été menés avec une machine industrielle disponible commercialement permettant de générer un jet de plasma atmosphérique dans l’air.

En l’occurrence, les essais ont été menés avec une machine commercialisée sous la marque Plasmatreat, modèle FG5001S. La buse utilisée a pour référence PTF 2639-1 12831. Il s’agit d’une buse en acier inoxydable d’une longueur de 40 mm et qui a une ouverture circulaire de 4 mm de diamètre.

Afin de mettre en mouvement la buse de laquelle sort un jet de plasma vis-à-vis des pièces sur lesquelles les essais ont été menés, on a utilisé un support mobile, à savoir un support d’imprimante 3D de la marque Shenzen Creality 3D Technology. Le mouvement relatif entre la buse et la pièce est réalisé à vitesse et distance constantes : on parle ainsi d’un balayage de la pièce par le plasma.

Bien qu’un tel moyen d’essais a été utilisé pour mettre en mouvement relatif la buse et la pièce, il est bien évident que tout autre dispositif, par exemple un bras robotique, pourrait être alternativement utilisé.

Les essais ont été réalisés sur des plaques de matériau composite comportant des copeaux en tant que renforts inclus dans une matrice.

En particulier, chaque copeau est un élément qui a une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau. Chaque copeau comporte des fibres de carbone incluses ou liées dans une première matrice, à savoir une résine durcie lors d’un premier durcissement pour former la pièce recyclée.

Les copeaux ont été obtenus par découpage mécanique d’une pièce en matériau composite à recycler comportant des fibres de carbone arrangées selon un tissage bidirectionnel. Le découpage des copeaux a été réalisé de sorte que les fibres du copeau s’étendent sensiblement parallèlement aux faces opposées du copeau.

Pour former la plaque, les copeaux ont été inclus comme renforts dans une résine qui a été durcie lors d’un deuxième durcissement.

Les essais détaillés ci-dessous visent en premier lieu à démontrer la faisabilité d’une extraction d’un élément comportant des renforts conducteurs électriques inclus dans une matrice d’une pièce en matériau composite dans laquelle ses éléments constituent des renforts, à l’aide de plasma froid.

Ces essais illustrent également l’importance de certains paramètres identifiés par la Demanderesse dans la réussite d’une telle extraction.

Les essais dont les résultats sont décrits ci-après dans les tableaux 1 à 5 ont été menés avec une pièce incluant dans une matrice époxy (deuxième matrice) des copeaux comportant des fibres de carbone incluses dans une résine époxy (première matrice).

Le tableau 1 qui suit présente les résultats préliminaires obtenus dans les conditions précitées.

Essai	1	2	3	4	5
Puissance (W)	650	675	730	675	650
Distance (mm)	7	7	9	10	7
Vitesse (mm/s)	10	10	10	10	10
Remarques	Trop de résine enlevée : autour du copeau, mais aussi de la résine du copeau	Résine et copeau brûlés, carbonisés	Résine faiblement retirée	Peu d’effet sur la résine	Résultat variable, dépend des zones

La puissance générée par le plasma est proportionnelle au débit d’air de la machine. C’est le paramètre de débit d’air qui est réglé sur ladite machine pour faire varier la puissance générée.

La distance correspond à la distance entre la buse d’où sort le jet de plasma et la surface de la pièce exposée au plasma.

La vitesse correspond à la vitesse de balayage, c’est-à-dire la vitesse relative entre la buse et la surface de la pièce.

Les résultats obtenus confirment la capacité à retirer la matrice de la pièce à l’aide d’une application de plasma atmosphérique. Ces essais montrent également l’influence des paramètres retenus, en particulier de la puissance générée par le plasma, sur le résultat en termes de retrait de la matrice de la pièce.

Le tableau 2 qui suit présente les résultats d’essais visant à montrer l’influence de la vitesse de balayage sur le retrait de la matrice de la pièce.

Essai	6	7	8	9	10	11
Puissance (W)	770	770	770	770	770	770
Distance (mm)	7	7	7	7	7	7
Vitesse (mm/s)	500	100	50	40	5	1
Remarques	Peu d’effet sur la matrice de la pièce	Peu d’effet sur la matrice de la pièce	Suppression partielle de la matrice, surtout aux extrémités des zones balayées	Suppression partielle de la matrice, surtout aux extrémités des zones balayées	Suppression de la matrice de la pièce autour du copeau	Résine et copeau carbonisés

Le tableau 2 démontre ainsi l’influence de la vitesse de balayage sur le retrait de la matrice de la pièce. Avec les paramètres de puissance et de distance adoptés pour cet essai, on constate qu’un résultat satisfaisant est obtenu à une vitesse de balayage de 5 mm/s. Néanmoins, un retrait significatif de résine constituant la deuxième matrice est obtenu avec des vitesses bien plus élevées, de l’ordre de 40 mm/s à 50 mm/s. Il est donc envisageable de mener le procédé objet de la présente invention avec une vitesse de balayage compatible d’un haut rendement (c’est-à-dire d’une vitesse d’extraction des éléments élevée), en modifiant les autres paramètres, c’est-à-dire en augmentant la puissance ou en diminuant la distance. Voir à cet égard le tableau 5 ci-dessous, par exemple.

Le tableau 3 qui suit présente les résultats d’essais visant à montrer l’influence du nombre de passes (c’est-à-dire de passage du plasma à la surface de la pièce selon la même trajectoire) sur le résultat obtenu.

Essai	12	13	14
Puissance (W)	770	770	770
Distance (mm)	7	7	7
Vitesse (mm/s)	10	10	10
Nombre de passes	5	10	20
Remarques	Détachement du copeau, avec de la résine restant en surface	Décollement des copeaux, peu de résine restant en surface	Détachement des fibres sans matrice : la matrice des copeaux a été également largement éliminée

Avec les paramètres proposés ci-dessus, un retrait des éléments de la pièce (copeaux) est réalisé avec succès en réalisant cinq passes de plasma sur la surface du copeau. Avec trop peu de passes, la matrice de la pièce n’est pas retirée de manière satisfaisante. Avec trop de passes, la matrice du copeau est attaquée, et la cohésion du copeau n’est plus garantie.

Le tableau 4 qui suit présente les résultats d’essais visant à montrer l’influence de la distance entre la buse d’où sort le plasma et la pièce.

Essai	15	12	16
Puissance (W)	770	770	770
Distance (mm)	5	7	9
Vitesse (mm/s)	10	10	10
Nombre de passes	5	5	5
Remarques	Détachement du copeau, peu de résine restant en surface	Détachement du copeau, résine restant en surface	Retrait partiel de la résine à la surface du copeau

Avec les paramètres proposés ci-dessus, un détachement des éléments de la pièce (copeaux) est obtenu en 5 passes (et potentiellement moins, le retrait étant constaté après 5 passes) en écartant de 5 mm à 7 mm la buse d’où sort le plasma de la surface de la pièce. On constate néanmoins que le retrait de la résine est plus important quand la buse est plus proche de la pièce. A 10 mm, le détachement du copeau de la pièce n’est plus obtenu en 5 passes.

Après avoir démontré la faisabilité de l’extraction d’un copeau ou autre élément comportant des renforts conducteurs, inclus dans une matrice pour former une pièce, la Demanderesse a évalué divers ensembles de paramètres. Certains résultats sont décrits dans le tableau 5 qui suit.

Essai	Puissance (W)	Vitesse (mm/s)	Distance (mm)	Nb de passes	Décollement du copeau	Remarques
17	570	10	7	1	OUI	Le copeau extrait contient plus de résine que le copeau extrait dans l’essai 19
18	570	40	7	1	NON
19	570	40	7	5	OUI	Le copeau extrait contient moins de résine que le copeau extrait dans l’essai 19. Le copeau a décollé après 2 passes sur les 5 passes prévues dans le plan d’expérience.
20	770	10	7	1	OUI
21	770	10	7	5	OUI	La matrice et le copeau brûlent dès la première passe sur les 5 passes prévues dans le plan d’expérience
22	770	40	7	1	NON
23	770	40	7	5	NON
24	582	5	5	1	OUI	Le copeau est récupérable avec une ventouse. On note une tendance à provoquer des flammes dans les zones avec peu de renforts
25	582	6,5	5	1	OUI	Le copeau est récupérable avec une ventouse. On note une tendance à provoquer des flammes dans les zones avec peu de renforts
26	582	7,5	5	1	NON
27	582	10	5	1	NON
26	670	5	5	1	OUI	Le copeau est récupérable avec une ventouse
27	685	5	5		NON

Ces exemples démontrent que divers jeux de paramètres peuvent être envisagés, afin de permettre l’extraction d’un copeau et sa récupération à l’aide d’un dispositif de préhension automatisé, en particulier un robot préhenseur à ventouse.

L’influence de la matrice de la pièce (dite « deuxième matrice ») a également été étudiée.

Le tableau 6 qui suit décrit des essais réalisés avec différentes résines en tant que matrice de la pièce d’où les éléments doivent être extraits.

Essai	Matrice de la pièce	Puissance (W)	Vitesse (mm/s)	Nb de passes	Décollement copeau	Commentaires
28	Résine époxy SR	556	5	1	OUI	Le copeau est légèrement brûlé
29	Résine époxy SR	578	5	1	NON	Le copeau peut-être décollé mais difficilement
30	Résine époxy SR	663	5	1	OUI
31	Résine époxy Resoltech™	556	5	1	OUI	Le copeau est légèrement brûlé
32	Résine époxy Resoltech™	578	5	1	OUI
33	Résine époxy Resoltech™	663	5	1	NON
34	Résine polyuréthane	556	5	1	OUI	Copeau décollé mais troué
35	Résine polyuréthane	578	5	1	OUI
36	Résine polyuréthane	670	5	1	OUI	Le retrait du copeau a montré que le plasma a attaqué trois couches de copeaux, plusieurs copeaux se détachant cela a provoqué une cassure de certains copeaux
37	Résine polyuréthane	670	10	1	NON

Dans le tableau 6 ci-dessus, « Résine époxy SR » désigne la résine commercialisée par la société Sicomin Composite sous l’appellation résine SR 8160, utilisée avec le durcisseur SD 815 B4 de la même société. « Résine époxy Resoltech™ » désigne la résine commercialisée par la société Resoltech sous la référence 1600, utilisé avec le durcisseur sous référence 1606 de la même société. « Résine polyuréthane » désigne la résine commercialisée par la société Sika sous la référence SikaBiresin CR690 (A) utilisée avec le durcisseur CH690 (B) de la même société.

Le procédé d’extraction est ainsi applicable à de nombreuses résines, a priori au moins à toute résine époxy et polyuréthane. Il a été observé que la résine polyuréthane réagit fortement au plasma, de sorte que l’extraction d’élément inclus dans une telle résine est efficace. Il est ainsi possible d’extraire un copeau ou autre élément avec une faible perte de matrice pour cet élément (première matrice).

En outre, des essais préliminaires montrent que le procédé d’extraction peut être réalisé avec succès sur des pièces dont la matrice est une résine thermoplastique. On notera que le plasma ne se contente pas dans ce cas de faire fondre la résine, mais qu’elle est détruite par dégradation physico-chimique provoqué par l’application du plasma.

Le tableau 7 qui suit décrit des essais réalisés avec des copeaux incluant des fibres de verre dans une résine époxy.

Essai	Pièce utilisée	Puissance (W)	Vitesse (mm/s)	Distance (mm)	Décollement copeau	Commentaires
38	Copeau 1	582	8	5	Sans objet	Copeau transpercé, fibre brûlée
39	Copeau 2	670	5	5	Sans objet	Copeau transpercé, fibre brûlée
40	Copeau 3	628	8	5	Sans objet	Copeau transpercé, fibre brûlée
41	Pièce 1	582	8	5	NON	Obtention d’un ensemble de fibres et de résine brulée en surface de la pièce
42	Pièce 2	670	5	5	NON	Obtention d’un ensemble de fibres et de résine brulée en surface de la pièce
43	Pièce 3	555	5	5	NON	Obtention d’un ensemble de fibres et de résine brulée en surface de la pièce

Le tableau 7 ci-dessus permet ainsi de constater que, dans des conditions expérimentales similaires à celles menées avec des pièces comportant des fibres de carbone, le procédé ne permet pas, avec des fibres de verre, de retirer sélectivement la matrice. Plus particulièrement, les essais 38 à 40 menés sur des copeaux individuels montrent que le plasma entraine une détérioration de la matrice mais aussi des fibres, conduisant, pour tous les jeux de paramètres essayés, à détériorer les fibres en même temps que la matrice. Les copeaux testés sont trois copeaux identiques obtenus comme décrit ci-avant pour ce qui concerne les copeaux incluant des fibres de carbone, mais à partir d’un élément en matériau composite comportant des fibres de verre. Les pièces 1 à 3 correspondent à des plaques formées comme expliqué ci-avant, mais avec des copeaux incluant des fibres de verre. Sur ces plaques, l’application du plasma a conduit à l’obtention d’un ensemble de fibres et de résine brûlé, ne laissant aucune possibilité de récupérer un copeau avec le procédé proposé.

La Demanderesse a ainsi développé dans le cadre de la présente invention un procédé d’extraction, depuis une pièce en matériau composite, d’un élément comportant des renforts conducteurs électriques par balayage de la pièce avec un plasma atmosphérique (plasma froid). Ce procédé permet un recyclage de pièces en matériau composite elles-mêmes issues du recyclage de pièces en matériau composite découpées mécaniquement en éléments, tels que des copeaux, utilisés comme renforts. Ce procédé permet également la réparation de pièces en matériau composite incluant des éléments eux-mêmes en matériau composite, par remplacement à l’identique du ou des éléments endommagés.

Claims

Procédé d’extraction depuis une pièce d’un élément en matériau composite comportant des renforts conducteurs électriques inclus dans une première matrice, comportant des étapes de :
fourniture de la pièce (E1), la pièce comportant ledit élément en matériau composite, ledit élément en matériau composite étant inclus dans une deuxième matrice ;

application (E3) sur ledit élément, par balayage d’une surface de la pièce, d’un plasma atmosphérique, en une ou plusieurs passes, de sorte à éliminer ladite deuxième matrice autour dudit élément, et

extraction (E4) de l’élément de ladite pièce.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon la revendication 1, dans lequel le plasma atmosphérique utilisé est un plasma de décharge à barrière diélectrique, un jet de plasma à pression atmosphérique, un plasma généré par décharge Corona, un plasma généré par aiguille à plasma, ou un plasma généré par crayon à plasma.
Procédé d’extraction selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’étape d’extraction (E4) est réalisée à l’aide d’un robot préhenseur.
Procédé d’extraction selon la revendication 3, dans lequel le robot préhenseur comporte un moyen de prise par aspiration, par exemple à ventouse, ou par adhésion à l’élément en matériau composite.
Procédé d’extraction selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’élément est un copeau ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, le 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, ledit adhésif durci constituant la première matrice, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces opposées du copeau.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon la revendication 5, dans lequel la deuxième matrice est une résine thermodurcissable ou thermoplastique ayant été durcie pour constituer la pièce.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première matrice et/ou la deuxième matrice est une résine époxy.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première matrice et/ou la deuxième matrice est une résine polyuréthane.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première matrice et/ou la deuxième matrice est une thermoplastique.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des paramètres d’applications tels que :
la puissance générée par le plasma est comprise entre 200 W et 900 W, de préférence entre 570 W et 770 W ;

la distance d’application du plasma est comprise entre 3 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 7 mm ;

le balayage est réalisé à une vitesse comprise entre 4 mm/s et 50 mm/s, de préférence entre 5 mm/s et 7 mm/s ; et

le nombre de passes est compris entre 1 et 20.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon la revendication 9, comportant en outre une étape de sélection des paramètres d’application (E2) du plasma avant l’étape d’application (E3), lors de laquelle la puissance générée par le plasma, la distance d’application du plasma, la vitesse de balayage et le nombre de passes sont déterminés.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon la revendication 10 dans lequel la puissance générée par le plasma, la distance d’application du plasma, la vitesse de balayage et le nombre de passes sont déterminés en fonction d’une puissance totale par unité de surface appliquée lors du procédé selon ces paramètres.
Procédé d’extraction d’un élément en matériau composite selon la revendication 10 ou la revendication 11, dans lequel l’étape de sélection des paramètres d’application utilise une technique d’apprentissage automatique.
Procédé de recyclage d’une pièce comportant des éléments en matériau composite comportant des renforts inclus dans une première matrice, lesdits éléments étant inclus dans une deuxième matrice, le procédé de recyclage comportant, pour tout ou partie des éléments en matériau composite de la pièce, une extraction de la pièce selon un procédé d’extraction selon l’une des revendications précédentes, suivie d’une étape de remploi dudit élément comme renfort extrait dans une nouvelle matrice afin de réaliser le moulage (E5) d’une nouvelle pièce en matériau composite.
Procédé de réparation d’une pièce comportant au moins un élément en matériau composite comportant des renforts inclus dans une première matrice, l’au moins un élément étant inclus dans une deuxième matrice, l’au moins un élément étant détérioré ou devant être remplacé préventivement, le procédé de réparation comportant une extraction (E4) de l’au moins un élément de la pièce par un procédé d’extraction selon l’une des revendications 1 à 12, et la mise en place d’au moins un nouvel élément (E7) à la place de l’au moins un élément extrait et l’inclusion dudit au moins un nouvel élément dans une nouvelle matrice.