EP1260293B1 - Procédé de fabrication d'une structure tube-plaque en matériau composite à matrice métallique - Google Patents

Procédé de fabrication d'une structure tube-plaque en matériau composite à matrice métallique Download PDF

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EP1260293B1
EP1260293B1 EP02291102A EP02291102A EP1260293B1 EP 1260293 B1 EP1260293 B1 EP 1260293B1 EP 02291102 A EP02291102 A EP 02291102A EP 02291102 A EP02291102 A EP 02291102A EP 1260293 B1 EP1260293 B1 EP 1260293B1
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EP
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tube
mold
fiber preform
cavity
plate
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EP02291102A
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German (de)
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EP1260293A1 (fr
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Martine Lutz-Nivet
Gilles Pommatau
Dominique Giraud
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Alcatel Lucent SAS
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Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a structure comprising at least one tube and at least one plate made of metal matrix composite material, assembled to one another.
  • Such a method can in particular be used for the manufacture of structures intended for the space industry, such as trellis structures serving as support for on-board optical instruments of the space telescope type, or others.
  • the lattice structures usually comprise one or more plates parallel to each other and a plurality of tubes connecting these plates in different directions, so as to ensure overall high dimensional stability.
  • the tubes and plates constituting the lattice structures supporting the optical instruments that equip spacecraft must have suitable mechanical characteristics, as well as mass as small as possible. This frequently leads the designers of these spacecraft to use composite metal matrix materials to make the tubes and plates of the lattice structures.
  • the tubes and plates are usually made separately by injection of a metal alloy into a mold containing a woven fiber preform.
  • the tubes and plates are then assembled according to different techniques such as gluing, screwing or brazing.
  • the subject of the invention is precisely a method for manufacturing a structure comprising at least one tube and at least one metal matrix composite plate, which does not have the drawbacks of the existing processes and makes it possible in particular not to introduce instability. thermomechanical at the junction between the tube and the plate.
  • the tube is hollow, is also placed in the mold, inside the first fiber preform, a mandrel complementary shape of the inside of the tube.
  • the third fibrous preform is produced in the form of two half-shells each of which is in the form of a half-crown.
  • the metal or the metal alloy is injected into the cavity of the mold substantially along a longitudinal axis of the first fiber preform, on one face of the second fibrous preform opposite to the first fiber preform.
  • first, second and third fibrous preforms are preferably made by draping, such that some of the fibers of each of the fibrous preforms are substantially aligned when the preforms are placed in the mold.
  • the embodiment illustrated by way of example in the single figure relates to the manufacture of a metal matrix composite material structure comprising a single hollow tube and a single plate.
  • the invention is not limited to the manufacture of this type of structure but relates, in general, to the manufacture of any metal matrix composite material structure comprising one or more tubes and one or more plates assembled together.
  • the invention can be used both when the tubes are hollow, as is generally the case, when the tubes are full, that is to say when they are replaced by rods.
  • the tube and the plate of the structure to be manufactured are made in one piece, by molding, by incorporating into the structure an annular reinforcing piece which surrounds the part of the tube adjacent to the plate and also forms a single piece with the structure.
  • the structure of metal matrix composite material is manufactured in a single mold 10 formed of two parts 12 and 14. Essentially, the first portion 12 of the mold 10 ensures the manufacture of the tube and the second Part 14 ensures the manufacture of the plate.
  • the mold 10 delimits internally a cavity 16, a first portion 18 is formed in the portion 12 of the mold and a second portion 20 is formed in the portion 14 of the mold.
  • the first portion 18 of the cavity 16 has a shape complementary to the outer shape of the tube that it is desired to manufacture.
  • the cavity portion 18 has the shape of a cylindrical recess whose diameter is equal to the outer diameter of the tube and whose length is equal to the length of the portion of the tube located outside the tube. annular reinforcing piece surrounding the tube in its junction zone with the plate.
  • the second portion 20 of the cavity 16 has a shape complementary to the outer shape of the plate that is desired to manufacture and the annular reinforcing member which surrounds the tube in its junction area with the plate.
  • the joint plane 22 between the two portions 18 and 20 of the cavity 16 is thus located at the face of the annular reinforcing piece opposite the plate.
  • a first fibrous preform 24 is placed inside the cavity 16 of the mold, which has substantially the shape of the tube to be manufactured, a second fibrous preform 26 which is substantially shaped like the plate to be made and a third fibrous preform 28 which has substantially the shape of the annular reinforcing piece surrounding the tube in its area adjacent to the plate.
  • first fibrous preform 24 is placed in the cavity portion 18 and projects at one of its ends into the second cavity portion 20.
  • the second fibrous preform 26 is placed in the second cavity portion 20 such that the aforesaid end of the first fibrous preform 24 abuts against it.
  • the third fibrous preform 28 is also placed in the second cavity portion 20, around the projecting portion of the first fibrous preform 24 and bearing against the second fibrous preform 26.
  • the third fibrous preform 28 is preferably made in the form of two half-shells each of which has the form of a half-crown.
  • Each of the fibrous preforms 24, 26 and 28 consists of long fibers whose nature and orientation are chosen according to the desired mechanical characteristics for the structure to be manufactured. These choices are made by those skilled in the art by the mere implementation of his usual knowledge. It is not part of the invention.
  • the orientation of the fibers in the different preforms 24, 26 and 28 are advantageously determined. so that some of the fibers of each of the preforms are substantially aligned from one preform to the other when all the preforms are placed in the cavity 16 of the mold 10.
  • each of the preforms 24, 26 and 28 the fibers are joined to each other by any suitable means.
  • An assembly technique consists, in particular, in draping each other a certain number of dry fabrics made in the desired fibers, in binding the fabrics together, for example by sewing, and then in compacting the preform thus obtained, in order to obtain the desired fiber level.
  • a mandrel 30 having a shape complementary to the inside of the tube to be manufactured is also placed in the mold inside the first fiber preform 24.
  • a metal or a metal alloy chosen by those skilled in the art is injected into the cavity 16 of the mold 10 in order to obtain the characteristics desired for the structure during manufacture. This choice results from the simple implementation of the usual knowledge of the skilled person. It is not part of the invention.
  • the metal or the metal alloy is injected into the cavity 16 through an orifice 32 formed in the portion 14 of the mold 10. More precisely, the orifice 32 opens into the cavity portion 20, along the longitudinal axis common to the cavity portion 18 and the first fiber preform 24, on one face of the second preform fibrous 26 opposite the first fibrous preform 24 and the cavity portion 18.
  • the injection parameters are determined by those skilled in the art, taking into account in particular the thermal inertia and the geometry of the structure. These data are simply the implementation of one's usual knowledge. They are therefore not part of the invention.
  • the mold 10 is opened.
  • the structure extracted from the mold is a monolithic piece which seamlessly integrates the tube, the plate and the reinforcement piece.
  • there is no interface between different materials unlike comparable structures of the prior art. High thermomechanical stability is ensured.
  • the structure obtained has a lower mass than the structures of the prior art in which the tube and the plate are assembled by screwing.
  • the manufacture of the structure is ensured by a simple molding operation, that is to say that the implementation of the method according to the invention is substantially simpler than that of the methods of the prior art according to which the tube and the plate are assembled by gluing or welding.
  • the mold and fibrous reinforcements are modified accordingly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Golf Clubs (AREA)

Description

    Domaine technique
  • L'invention concerne un procédé de fabrication d'une structure comprenant au moins un tube et au moins une plaque en matériau composite à matrice métallique, assemblés l'un à l'autre.
  • Un tel procédé peut notamment être utilisé pour la fabrication de structures destinées à l'industrie spatiale, telles que des structures en treillis servant de support à des instruments optiques embarqués de type télescopes spatiaux, ou autres.
    • Art antérieur
  • Lorsque des instruments optiques sont embarqués sur des engins spatiaux tels que des télescopes spatiaux, ces instruments sont généralement montés sur des structures en treillis.
  • Les structures en treillis comprennent habituellement une ou plusieurs plaques parallèles entre elles et une pluralité de tubes reliant ces plaques selon des directions différentes, de façon à assurer à l'ensemble une grande stabilité dimensionnelle.
  • En plus de ces exigences de stabilité, les tubes et les plaques qui constituent les structures en treillis supportant les instruments optiques qui équipent engins spatiaux doivent présenter des caractéristiques mécaniques adaptées, ainsi qu'une masse aussi réduite que possible. Cela conduit fréquemment les concepteurs de ces engins spatiaux à utiliser des matériaux composites à matrices métalliques pour réaliser les tubes et les plaques des structures en treillis.
  • De façon plus précise, les tubes et les plaques sont habituellement réalisés séparément, par injection d'un alliage métallique dans un moule contenant une préforme de fibres tissées. Les tubes et les plaques sont ensuite assemblés selon différentes techniques telles que le collage, le vissage ou le brasage.
  • Cependant, ces différentes techniques d'assemblage présentent toutes des inconvénients notables.
  • Ainsi, lorsque les tubes et les plaques sont assemblées par collage, le matériau différent ainsi introduit entre les pièces constitue une source d'instabilité thermomécanique, notamment du fait de la faible raideur et de l'hygrométrie de la colle. En outre, ce type d'assemblage entraîne des difficultés de mise en oeuvre liées par exemple à la nécessité d'un traitement de surface et au temps de polymérisation de la colle.
  • Dans le cas où les tubes et les plaques sont assemblés par vissage, on introduit également de l'instabilité mécanique du fait des frottements et des micro glissements qui se produisent entre les pièces. De surcroît, l'ajout de vis et de rondelles se traduit par une augmentation de la masse globale de la structure, indésirable dans le domaine spatial.
  • Enfin, lorsque les tubes et les plaques sont assemblés par brasage, on rencontre des difficultés de mise en oeuvre en raison des géométries respectivement cylindrique et plane des pièces à assembler.
  • Comme l'illustre le document EP-A-0 610 020, il est connu d'assembler deux tubes d'acier selon une configuration en T en formant, par moulage, une coquille en aluminium ou en alliage d'aluminium autour de la zone de jonction entre les deux tubes
    • Exposé de l'invention
  • L'invention a précisément pour objet un procédé de fabrication d'une structure comprenant au moins un tube et au moins une plaque en matériau composite à matrice métallique, ne présentant pas les inconvénients des procédés existants et permettant notamment de ne pas introduire d'instabilité thermomécanique à la jonction entre le tube et la plaque.
  • Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication d'une structure comprenant au moins un tube et au moins une plaque en matériau composite à matrice métallique reliés l'un à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
    • dans une cavité d'un moule unique, mise en place d'une première préforme fibreuse ayant sensiblement la forme du tube, d'une deuxième préforme fibreuse ayant sensiblement la forme de la plaque et d'une troisième préforme fibreuse entourant une extrémité de la première préforme fibreuse adjacente à la deuxième préforme fibreuse ;
    • injection d'un métal ou d'un alliage métallique dans la cavité du moule.
  • La mise en oeuvre de ce procédé permet de s'affranchir des interfaces entre les tubes et les plaques, communes à toutes les techniques de l'art antérieur. On préserve ainsi la stabilité thermomécanique de la structure. En outre, on réalise un gain de masse par rapport à la technique d'assemblage par vissage ainsi qu'une simplification de la mise en oeuvre par rapport à la technique d'assemblage par collage. De plus, la fabrication de plusieurs pièces identiques à partir d'un même moule se traduit par une diminution du coût.
  • Dans le cas le plus courant où le tube est creux, on place également dans le moule, à l'intérieur de la première préforme fibreuse, un mandrin de forme complémentaire de l'intérieur du tube.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on réalise la troisième préforme fibreuse sous la forme de deux demi coquilles dont chacune a la forme d'une demi couronne.
  • Avantageusement, on injecte le métal ou l'alliage métallique dans la cavité du moule sensiblement selon un axe longitudinal de la première préforme fibreuse, sur une face de la deuxième préforme fibreuse opposée à la première préforme fibreuse.
  • En outre, on réalise de préférence les première, deuxième et troisième préformes fibreuses par drapage, de façon telle que certaines des fibres de chacune des préformes fibreuses soient sensiblement alignées lorsque les préformes sont placées dans le moule.
    • Brève description des dessins
  • On décrira à présent, à titre d'exemple illustratif et non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure unique représente schématiquement, en coupe partielle, un moule destiné à la fabrication d'une structure comprenant un tube et une plaque par le procédé de l'invention, ainsi que les préformes fibreuses et le mandrin utilisés pour la mise en oeuvre de ce procédé.
    • Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention
  • Le mode de réalisation illustré à titre d'exemple sur la figure unique concerne la fabrication d'une structure en matériau composite à matrice métallique comprenant un seul tube creux et une seule plaque. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à la fabrication de ce type de structure mais concerne, de façon générale, la fabrication de toute structure en matériau composite à matrice métallique comprenant un ou plusieurs tubes et une ou plusieurs plaques assemblés entre eux. De plus, l'invention peut être utilisée aussi bien lorsque les tubes sont creux, comme c'est généralement le cas, que lorsque les tubes sont pleins, c'est-à-dire lorsqu'ils sont remplacés par des tiges.
  • Conformément à l'invention, le tube et la plaque de la structure à fabriquer sont réalisés d'un seul tenant, par moulage, en incorporant à la structure une pièce de renfort annulaire qui entoure la partie du tube adjacente à la plaque et forme également une seule pièce avec la structure.
  • Dans le mode de réalisation représenté, la structure en matériau composite à matrice métallique est fabriquée dans un moule unique 10 formé de deux parties 12 et 14. Pour l'essentiel, la première partie 12 du moule 10 assure la fabrication du tube et la deuxième partie 14 assure la fabrication de la plaque.
  • Le moule 10 délimite intérieurement une cavité 16 dont une première portion 18 est formée dans la partie 12 du moule et dont une deuxième portion 20 est formée dans la partie 14 du moule.
  • La première portion 18 de la cavité 16 présente une forme complémentaire de la forme extérieure du tube que l'on désire fabriquer. En d'autres termes, la portion de cavité 18 a la forme d'un évidement cylindrique dont le diamètre est égal au diamètre extérieur du tube et dont la longueur est égale à la longueur de la partie du tube située à l'extérieur de la pièce de renfort annulaire entourant le tube dans sa zone de jonction avec la plaque.
  • La deuxième portion 20 de la cavité 16 présente une forme complémentaire de la forme extérieure de la plaque que l'on désire fabriquer et de la pièce de renfort annulaire qui entoure le tube dans sa zone de jonction avec la plaque. Le plan de joint 22 entre les deux portions 18 et 20 de la cavité 16 se trouve ainsi localisé au niveau de la face de la pièce de renfort annulaire opposée à la plaque.
  • Conformément à l'invention, on place à l'intérieur de la cavité 16 du moule une première préforme fibreuse 24 qui a sensiblement la forme du tube à fabriquer, une deuxième préforme fibreuse 26 qui a sensiblement la forme de la plaque à fabriquer et une troisième préforme fibreuse 28 qui a sensiblement la forme de la pièce de renfort annulaire entourant le tube dans sa zone adjacente à la plaque.
  • De façon plus précise, la première préforme fibreuse 24 est placée dans la portion de cavité 18 et fait saillie par l'une de ses extrémités dans la deuxième portion de cavité 20. La deuxième préforme fibreuse 26 est placée dans la deuxième portion de cavité 20 de telle sorte que l'extrémité précitée de la première préforme fibreuse 24 soit en appui contre elle. Enfin, la troisième préforme fibreuse 28 est également placée dans la deuxième portion de cavité 20, autour de la partie en saillie de la première préforme fibreuse 24 et en appui contre la deuxième préforme fibreuse 26.
  • Pour faciliter la mise en oeuvre, la troisième préforme fibreuse 28 est réalisée de préférence sous la forme de deux demi coquilles dont chacune a la forme d'une demi couronne.
  • Chacune des préformes fibreuses 24, 26 et 28 est constituée de fibres longues dont la nature et l'orientation sont choisies selon les caractéristiques mécaniques désirées pour la structure à fabriquer. Ces choix sont effectués par l'homme du métier par la simple mise en oeuvre de ses connaissances habituelles. Il ne fait donc pas partie de l'invention.
  • Cependant, afin d'améliorer la tenue mécanique de la pièce obtenue par le procédé selon l'invention, les orientation des fibres dans les différentes préformes 24, 26 et 28 sont avantageusement déterminées afin que certaines des fibres de chacune des préformes soient sensiblement alignées d'une préforme à l'autre lorsque toutes les préformes sont placées dans la cavité 16 du moule 10.
  • Dans chacune des préformes 24, 26 et 28, les fibres sont assemblées les unes aux autres par tout moyen approprié. Une technique d'assemblage consiste notamment à draper les unes sur les autres un certain nombre de tissus secs réalisés dans les fibres désirées, à lier les tissus entre eux, par exemple par couture, puis à compacter la préforme ainsi obtenue, afin d'obtenir le taux de fibres désiré.
  • Dans le mode de réalisation représenté, qui concerne la fabrication d'un tube creux, on place également dans le moule, à l'intérieur de la première préforme fibreuse 24, un mandrin 30 présentant une forme complémentaire de l'intérieur du tube à fabriquer
  • Lors de l'étape suivante, on injecte dans la cavité 16 du moule 10 un métal ou un alliage métallique choisi par l'homme du métier afin d'obtenir les caractéristiques désirées pour la structure en cours de fabrication. Ce choix résulte de la simple mise en oeuvre des connaissances habituelles de l'homme du métier. Il ne fait pas partie de l'invention.
  • Comme on l'a représenté schématiquement par une flèche F sur la figure unique, le métal ou l'alliage métallique est injecté dans la cavité 16 par un orifice 32 formé dans la partie 14 du moule 10. De façon plus précise, l'orifice 32 débouche dans la portion de cavité 20, selon l'axe longitudinal commun à la portion de cavité 18 et à la première préforme fibreuse 24, sur une face de la deuxième préforme fibreuse 26 opposée à la première préforme fibreuse 24 et à la portion de cavité 18.
  • Les paramètres d'injection (température, pression, etc.) sont déterminés par l'homme du métier en tenant compte notamment de l'inertie thermique et de la géométrie de la structure. Ces données relèvent de la simple mise en oeuvre de ses connaissances habituelles. Elles ne font donc pas partie de l'invention.
  • Lorsque l'injection du métal ou de l'alliage métallique est terminée et lorsque la structure est solidifiée, on procède à l'ouverture du moule 10.
  • Conformément à l'invention, la structure extraite du moule est une pièce monolithique qui intègre sans discontinuité le tube, la plaque et la pièce de renfort. En particulier, il n'existe pas d'interface entre des matériaux différents, contrairement aux structures comparables de l'art antérieur. Une grande stabilité thermomécanique est donc assurée.
  • De surcroît, la structure obtenue présente une masse plus faible que les structures de l'art antérieur dans lesquelles le tube et la plaque sont assemblés par vissage.
  • En outre, la fabrication de la structure est assurée par une simple opération de moulage, c'est-à-dire que la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est sensiblement plus simple que celle des procédés de l'art antérieur selon lesquels le tube et la plaque sont assemblés par collage ou par soudage.
  • Bien entendu, lorsque la structure à fabriquer comprend plusieurs tubes et/ou plusieurs plaques, le moule et les renforts fibreux sont modifiés en conséquence.

Claims (5)

  1. Procédé de fabrication d'une structure comprenant au moins un tube et au moins une plaque en matériau composite à matrice métallique reliés l'un à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes:
    - dans une cavité (16) d'un moule unique (10), mise en place d'une première préforme fibreuse (24) ayant sensiblement la forme du tube, d'une deuxième préforme fibreuse (26) ayant sensiblement la forme de la plaque et d'une troisième préforme fibreuse (28) entourant une extrémité de la première préforme fibreuse (24) adjacente à la deuxième préforme fibreuse (26) ;
    - injection d'un métal ou d'un alliage métallique dans la cavité (16) du moule (10).
  2. Procédé selon la revendication 1, appliqué au cas où le tube est creux, dans lequel on place également dans le moule (10), à l'intérieur de la première préforme fibreuse (24), un mandrin (30) de forme complémentaire de l'intérieur du tube.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on réalise la troisième préforme fibreuse (28) sous la forme de deux demi coquilles dont chacune a la forme d'une demi couronne.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on injecte le métal ou l'alliage métallique dans la cavité (16) du moule (10) sensiblement selon un axe longitudinal de la première préforme fibreuse (24), sur une face de la deuxième préforme fibreuse (26) opposée à la première préforme fibreuse (24).
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on réalise les première (24), deuxième (26) et troisième (28) préformes fibreuses par drapage, de façon telle que certaines des fibres de chacune des préformes fibreuses soient sensiblement alignées lorsque les préformes sont placées dans le moule (10).
EP02291102A 2001-05-25 2002-05-02 Procédé de fabrication d'une structure tube-plaque en matériau composite à matrice métallique Expired - Lifetime EP1260293B1 (fr)

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