CA2794411A1 - Procede de fabrication d'un organe mecanique en materiau composite ayant une tenue mecanique accrue en traction-compression et en flexion - Google Patents

Procede de fabrication d'un organe mecanique en materiau composite ayant une tenue mecanique accrue en traction-compression et en flexion Download PDF

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Abstract

L' invention concerne un procédé de fabrication d'un organe mécanique en matériau composite tel qu'une bielle (19), comprenant des opérations successives d'application de couches de fibres renforçantes tressées tout autour d'un mandrin, comportant entre deux opérations d'application de couches de fibres renforçantes tressées, une étape : - de mise en place, d'au moins un élément formé de fibres renforçantes pultrudées (14''), orienté longitudinalement (AX); - et de fixation au moins temporaire de chaque élément pultrudé (14'') à la dernière couche de fibres renforçantes tressée, et dans lequel une résine est ensuite injectée dans les différentes couches tressées avant de polymériser cette résine pour constituer une bielle brute.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ORGANE MECANIQUE EN
MATERIAU COMPOSITE AYANT UNE TENUE MECANIQUE ACCRUE EN
TRACTION-COMPRESSION ET EN FLEXION

L'invention concerne un procédé pour fabriquer en matériau composite un organe mécanique tel qu'une bielle de contrefiche d'atterrisseur d'aéronef.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Il est connu, notamment du document de brevet FR2932409 de fabriquer une telle bielle à partir d'un mandrin sur lequel on tresse une ou plusieurs couches de fibres de carbone se superposant radialement les unes aux autres.
Cet ensemble est ensuite installé dans un moule pour injecter de la résine dans les différentes couches portées par le mandrin avant de polymériser cette résine, par exemple par chauffage, afin de constituer une bielle brute rigide pouvant être usinée au niveau de ses interfaces pour y former des chapes.
Le tressage des couches de fibres renforçantes est alors assuré avec une installation de tressage qui est représentée en figure 1 en y étant repérée par 1.
Cette installation comporte essentiellement un anneau 2 s'étendant dans un plan vertical, l'axe de révolution AX
de cet anneau étant ainsi horizontal. Cet anneau 2 porte un ensemble de bobines de fibres renforçantes 3, convergeant vers une région située sur l'axe AX et décalée par rapport au plan de l'anneau.
Lorsque le cycle de tressage est lancé, le mandrin qui est repéré par 4 est déplacé le long de l'axe AX pour traverser l'anneau 2 au delà du point de convergence des fibres. En même temps, les bobines portées sur l'anneau 2 par des supports mobiles motorisés sont actionnées, pour fabriquer une chaussette de fibres renforçantes à la face externe de ce mandrin 4.
Cette chaussette recouvre le.-mandrin sur toute sa COPIE DE CONFIRMATION
2 PCT/EP2011/001479 longueur une fois qu'il a complètement traversé l'anneau, c'est-à-dire une fois qu'il est situé au delà du point de convergence des fibres.
La couche de fibres renforçantes est alors sectionnée en aval du mandrin, et le mandrin est démonté, puis replacé en arrière de l'anneau, afin de le traverser à nouveau pour la formation d'une seconde couche de fibres renforçantes se superposant radialement à la première.
Ainsi, comme représenté schématiquement en figure 2, on peut fabriquer une structure générale comportant dans sa région centrale le mandrin formant support pour deux couches de fibres tressées 6, 7, ou plus, qui s'étendent tout autour de celui-ci et sur toute sa longueur.
Concrètement, comme représenté en figure 2, une couche tressée comporte d'une part des fibres dites de fuseau 8 et 9 qui sont inclinées par exemple à environ trente degrés d'un côté et de l'autre par rapport à l'axe AX, et d'autre part des fibres longitudinales 11, parallèles à l'axe AX, qui sont maintenues en position par les fibres de fuseaux 8 et 9 qui les entrelacent.
Dans une telle bielle, ce sont essentiellement les fibres longitudinales qui supportent les contraintes mécaniques apparaissant lorsque la bielle est sollicitée en traction-compression selon l'axe AX, et lorsqu'elle est sollicitée en flexion autour de tout axe normal à
l'axe AX.
Compte tenu de la tension des fibres de fuseau nécessaire au tressage, et contrairement à la représentation schématique de la figure 3, les fibres longitudinales 11 sont en fait ondulées au lieu d'être rectilignes, ce qui pénalise le niveau de contraintes mécaniques qu'elles sont capables de supporter selon la direction AX.
3 PCT/EP2011/001479 Cette perte de résistance selon la direction longitudinale est d'autant plus importante que l'ondulation des fibres longitudinales est élevée, car la tension appliquées aux fibres durant le tressage doit elle-même être importante afin d'assurer à l'ensemble la plus grande compacité possible.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de l'invention est de proposer une solution pour remédier à cet inconvénient.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé
de fabrication d'un organe mécanique en matériau composite, tel qu'une bielle en matériau composite, comprenant des opérations successives d'application de couches de fibres renforçantes tressées tout autour d'un mandrin et sur tout ou partie de la longueur de ce mandrin en étant superposées radialement les unes aux autres, comportant entre deux opérations d'application de couches de fibres renforçantes tressées, une étape :
- de mise en place sur la dernière couche de fibres tressées, d'au moins un élément formé de fibres renforçantes pultrudées, chaque élément pultrudé étant orienté longitudinalement et s'étendant sur au moins une portion de la longueur du mandrin ;
- et de fixation au moins temporaire de chaque élément pultrudé à la dernière couche de fibres renforçantes tressée, et dans lequel une fois que tous les éléments pultrudés ont été mis en place et que toutes les couches tressées ont été appliquées, une résine est injectée dans les différentes couches tressées avant de polymériser l'ensemble pour constituer une pièce brute.
Avec cette solution, les éléments pultrudés constituent un ensemble de fibres qui restent sensiblement rectilignes après assemblage avec les
4 PCT/EP2011/001479 couches tressées et après injection et polymérisation de la résine, ce qui permet d'accroître significativement la tenue mécanique selon la direction longitudinale.
L'invention a également pour objet un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel chaque élément pultrudé
est de type tige pleine.
L'invention a également pour objet un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la fixation de chaque élément pultrudé appliqué contre une même couche de fibres renforçantes est assurée avec un produit de type colle ou résine.
L'invention a également pour objet un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel la fixation de chaque élément pultrudé appliqué contre une même couche de fibres renforçantes est assurée avec un lien passé autour de l'ensemble constitué par le mandrin avec les couches qu'il porte et les éléments pultrudés à fixer.
L'invention a également pour objet un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel on applique contre une même couche de fibres tressées plusieurs éléments pultrudés qui sont régulièrement espacés les uns des autres autour de la direction longitudinale du mandrin.
L'invention a également pour objet un procédé tel que défini ci-dessus, dans lequel on assemble différents éléments pultrudés en les reliant les uns aux autres par un ou plusieurs liens transversaux pour constituer un assemblage de type claie, avant de mettre en place cet assemblage sur une même couche de fibres renforçantes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est une représentation schématique montrant en perspective une machine de tressage connue avec un mandrin destiné à recevoir une couche de fibres tressées ;
La figure 2 est une vue schématique en section transversale montrant les couches constituant une bielle
5 PCT/EP2011/001479 en matériau composite connue ;
La figure 3 est une vue schématique montrant une portion de fibres renforçantes tressées représentée en perspective ;
La figure 4 est une vue schématique en section transversale d'un corps de bielle à section cylindrique fabriqué conformément au procédé selon l'invention ;
La figure 5 est une vue schématique en section transversale d'un corps de bielle à section elliptique fabriqué conformément au procédé selon l'invention ;
La figure 6 est une vue en perspective d'une bielle finie en matériau composite fabriquée avec le procédé selon l'invention ;
La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une bielle en matériau composite fabriquée conformément au procédé selon l'invention ;
La figure 8 est une vue schématique d'un assemblage d'éléments pultrudés avant mise en place et fixation sur une couche tressée.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'idée à la base de l'invention est d'utiliser un procédé de fabrication par tressage dans lequel on intègre des tiges rectilignes prépolymérisées ou polymérisées, formées de fibres renforçantes pultrudées, en les plaçant longitudinalement entre les couches de fibres tressées consécutives. On intègre ainsi à la bielle des fibres longitudinales qui sont parfaitement rectilignes et qui augmentent par là même significativement la tenue mécanique de la bielle en traction-compression et en flexion.
Les profils pultrudés sont des profilés de matériau composite à section constante fabriqués de manière industrielle, selon un processus continu.
Concrètement, les fibres sous forme de bobines sont déroulées continuellement pour être imprégnées de résine
6 PCT/EP2011/001479 avant de passer dans une filière chauffée polymérisant ou prépolymérisant cette résine, de manière à former de façon continue un profilé rigide dont on tronçonne des portions de longueur souhaitée au fil de la production.
Ces profilés pultrudés se présentent notamment sous forme de tiges pleines ou creuses constituées de fibres renforçantes rectilignes parallèles en étant agglomérées les unes aux autres par la résine polymérisée ou prépolymérisée. La tenue mécanique des profilés pultrudés est importante suivant l'axe principal du profilé pour un coût de fabrication très compétitif.
L'invention consiste ainsi à intégrer des éléments pultrudés entre le tressage de couches de fibres renforçantes, avec une installation du type de celle représentée en figure 1 afin de fabriquer une bielle.
Comme représenté schématiquement en figure 4, une bielle fabriquée conformément à l'invention comporte ainsi un mandrin 12, qui présente ici une section circulaire, autour duquel est tressée une couche de fibres renforçantes 13 par passage dans une installation de tressage telle que celle de la figure 1.
Une fois que cette tresse 13 a été appliquée sur toute la longueur du mandrin 12, c'est-à- dire une fois que le mandrin a traversé le plan de l'anneau portant les bobines de fibres renforçantes, l'installation est arrêtée. La couche de fibres renforçantes est alors sectionnée en aval du mandrin, et l'ensemble formé par le mandrin 12 et la couche 13 qu'il porte sont retirés pour être installés à nouveau en amont de l'anneau portant les bobines, en vue du tressage d'une nouvelle couche de fibres renforçantes.
A ce stade, les éléments pultrudés 14 sont mis en place sur la couche 13, de manière à s'étendre longitudinalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe AX
de la bielle, en étant régulièrement espacés les uns des
7 PCT/EP2011/001479 autres autour de cet axe AX. Ces éléments pultrudés peuvent être fixés en appliquant préalablement un produit de type colle ou bien résine sur la couche 13.
Une autre solution en ce qui concerne la fixation des éléments pultrudés consiste à entourer l'ensemble avec un lien de fibres renforçantes, de façon à enserrer ces éléments contre la face externe de la couche 13.
Une fois que les éléments pultrudés ont été mis en place et qu'ils sont maintenus en position de façon stable, on procède au tressage de la couche de fibres renforçantes suivante, repérée par 16. Ce tressage est assuré en déplaçant l'ensemble formé par le mandrin 12, la couche de fibres tressées 13, et les éléments pultrudés 14 à travers l'anneau de l'installation de tressage, le long de l'axe de cet anneau.
Cette opération a pour effet de former une couche de fibres tressées qui entoure alors les éléments pultrudés 14 en les enserrant sans modifier significativement leur position. Au cours de l'opération de tressage de la couche 16, les éléments 14 restent orientés longitudinalement et régulièrement espacés les uns des autres selon la circonférence de la couche 13.
Dans ces conditions, et comme représenté
schématiquement en figure 4, les éléments 14 se trouvent alors fermement enserrés entre les couches 14 et 16, et ils sont orientés longitudinalement selon l'axe AX.
A ce stade, l'ensemble formé par le mandrin 12, les couches 13 et 16 et les éléments pultrudés intercalés entre ces couches, est installé dans un moule pour injecter de la résine à travers les couches de fibres renforçantes 14 et 16. Dans le cas où les profilés pultrudés sont des tiges creuses, on bouche leurs extrémités pour éviter que ces tiges ne se remplissent de résine durant la phase d'injection.
Un cycle de chauffage est ensuite déclenché pour
8 PCT/EP2011/001479 polymériser cette résine, afin de constituer une bielle brute rigide dont les interfaces peuvent ensuite être usinées par perçage pour former des chapes, avant de monter dans ces perçages des bagues métalliques.
La figure 4 montre uniquement un ensemble d'éléments pultrudés 14 interposé entre deux couches tressées 13 et 16. Mais le procédé selon l'invention permet d'interposer entre chaque paire de couches tressées consécutives, un ensemble d'éléments pultrudés pour d'une manière générale accroître la tenue mécanique en traction-compression et en flexion de cette bielle, et par là même sa tenue au flambage.
Les éléments pultrudés 14 n'ont pas nécessairement à être répartis sur toute la circonférence de la couche tressée qui les porte, mais ils peuvent avantageusement être disposés uniquement dans certaines zones de cette circonférence, sans y être nécessairement régulièrement espacés les uns des autres.
Ainsi, dans l'exemple de la figure 5, le mandrin 12' présente une section qui est elliptique au lieu d'être circulaire, pour constituer une bielle présentant une tenue en flexion accrue autour du petit axe de l'ellipse correspondant à sa section. La tenue en traction-compression étant elle aussi accrue dans cette bielle.
Dans ce cas, la première couche 13' est tressée autour du mandrin 12', comme pour l'exemple de la figure 4. Mais des éléments pultrudés 14' sont alors placés uniquement au niveau des extrémités opposées qui sont les plus éloignées de cette ellipse, de manière à accroître la tenue à une sollicitation en flexion autour du petit axe de cette ellipse.
La couche suivante 16' est alors tressée, avant de procéder à la mise en place d'autres éléments pultrudés 17', qui sont également placés au niveau des
9 PCT/EP2011/001479 extrémités de cette ellipse qui sont les plus éloignées l'une de l'autre. Une nouvelle couche tressée 18' est ensuite appliquée avant de procéder à l'injection de résine dans l'ensemble et à sa polymérisation.
Les éléments pultrudés, s'étendent essentiellement le long du corps de la bielle qui est repéré par 21 dans la figure 6 où cette bielle est représentée dans son état fini. Ce corps 21 correspond à
la région centrale de la bielle 19, qui est une paroi de type réglée, ce corps 21 ayant par exemple une section constante.
Cela étant, les éléments pultrudés peuvent épouser des formes sensiblement courbes, car leur rigidité qui est relativement importante leur permet d'épouser ces formes tout en se courbant le moins possible. Autrement dit, ces éléments pultrudés peuvent être mis en place sur des formes courbes et leur rigidité
assure qu'ils adoptent des formes peu incurvées pour offrir une tenue mécanique élevée.
Les éléments pultrudés repérés ici par 1411, sont disposés radialement sous forme de trois couches, mais ils ne couvrent a priori pas les extrémités 22 et 23 de la bielle 21, c'est-à-dire les interfaces de cette bielle, car ces extrémités présentent des sections fortement évolutives non réglées ne se prêtant pas à
l'application d'éléments rectilignes.
Ainsi, comme visible dans la figure 7, les éléments pultrudés 14 sont répartis radialement sur trois couches interposée chacune entre deux couches tressées, mais ces éléments sont intégrés à la bielle en s'étendant uniquement entre les extrémités 22 et 23 de cette bielle formant chapes.
Dans les exemples décrits à l'appui des figures 4 et 7, les éléments pultrudés peuvent être appliqués et maintenus uns à uns sur la couche tressée qui les
10 PCT/EP2011/001479 portent. Mais avantageusement, les éléments pultrudés 14, 14', 14'', 17' peuvent être préparés préalablement à leur application pour constituer un assemblage de type claie représenté schématiquement en figure 8.
Dans ce cas, les éléments pultrudés sont par exemple disposés à plat parallèlement les uns aux autres en étant espacés régulièrement les uns des autres, et ils sont solidarisés les uns aux autres au moyen de plusieurs paires de fibres renforçantes 24 régulièrement espacées les unes des autres le long de ces éléments.
Chaque paire 24 comporte alors deux fibres généralement orientées selon une direction perpendiculaire à la direction générale des éléments pultrudés, et ces deux fibres sont entrelacées autour de chaque élément pultrudés, ce qui permet de solidariser ces éléments les uns aux autres tout en les maintenant parallèles et espacés deux à deux d'une distance prédéterminée.
La mise en place des éléments pultrudés sur une couche de fibres tressées consiste à saisir la claie ainsi constituée, à l'appliquer à la face externe de la couche considérée, et à la coller à celle-ci, ou bien à
entourer l'ensemble avec un ou plusieurs liens en fibres renforçantes circonférentiels.
Dans l'exemple des figures, la bielle fabriquée conformément au procédé selon l'invention comporte deux interfaces, qui sont ici deux chapes. Mais l'invention s'applique aussi bien à d'autres types de bielles comme par exemple les balanciers d'atterrisseurs qui comportent une interface à chacune de leurs extrémités et une troisième interface située entre ces extrémités.
Par ailleurs, l'exemple des figures illustre la mise en oeuvre de l'invention pour la fabrication d'une bielle en matériau composite. Mais l'invention s'applique à la fabrication d'autres types d'organes mécaniques,
11 PCT/EP2011/001479 comme par exemple la fabrication des pales en carbone d'une hélice d'aéronef, ou bien la fabrication d'un mat en carbone destiné à équiper un voilier.
En effet, les pales d'une hélice aussi bien que le mat d'un voilier sont sujets à des contraintes mécaniques orientées principalement selon leur direction principale, c'est-à-dire la direction des éléments pultrudé qui y sont intégrés, de sorte que le procédé
selon l'invention offre alors une augmentation significative de la tenue mécanique pour ce type d'organe mécanique.

Claims (6)

1. Procédé de fabrication d'un organe mécanique en matériau composite, tel qu'une bielle (19) en matériau composite, comprenant des opérations successives d'application de couches (13, 16 ; 13', 16', 18') de fibres renforçantes tressées tout autour d'un mandrin (12 ; 12') et sur tout ou partie de la longueur de ce mandrin (12 ; 12') en étant superposées radialement les unes aux autres, comportant entre deux opérations d'application de couches (13, 16 ; 13', 16', 18') de fibres renforçantes tressées, une étape :
- de mise en place sur la dernière couche de fibres tressées (13 ; 13', 16'), d'au moins un élément formé de fibres renforçantes pultrudées (14 ; 14', 17' ;
1411), chaque élément pultrudé étant orienté
longitudinalement (AX) et s'étendant sur au moins une portion de la longueur du mandrin (12 ; 12') ;
- et de fixation au moins temporaire de chaque élément pultrudé (14 ; 14', 17' ; 14 à la dernière couche de fibres renforçantes tressée, et dans lequel une fois que tous les éléments pultrudés ont été mis en place et que toutes les couches tressées (13, 16 ; 13', 16', 18') ont été appliquées, une résine est injectée dans les différentes couches tressées (13, 16 ; 13', 16', 18') avant de polymériser l'ensemble pour constituer une pièce brute.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque élément pultrudé (14 ; 14', 17' ; 14'') est du type tige pleine.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fixation de chaque élément pultrudé (14 ; 14', 17'; 14'') appliqué contre une même couche de fibres renforçantes est assurée avec un produit de type colle ou résine.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fixation de chaque élément pultrudé (14 ; 14', 17' ; 14 ' ) appliqué contre une même couche de fibres renforçantes est assurée avec un lien passé autour de l'ensemble constitué par le mandrin (12 ; 12') avec les couches qu'il porte et les éléments pultrudés à fixer (14 ; 14', 17' ; 14'').
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on applique contre une même couche de fibres tressées (13, 16 ; 13', 16', 18') plusieurs éléments pultrudés (14 ; 14', 17' ; 14'') qui sont régulièrement espacés les uns des autres autour de la direction longitudinale (AX) du mandrin (12 ; 12').
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on assemble différents éléments pultrudés (14 ; 14', 17'; 14") en les reliant les uns aux autres par un ou plusieurs liens transversaux pour constituer un assemblage de type claie, avant de mettre en place cet assemblage sur une même couche de fibres renforçantes.
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