EP2089565B1 - Tissu composite 3d - Google Patents

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EP2089565B1
EP2089565B1 EP20070858424 EP07858424A EP2089565B1 EP 2089565 B1 EP2089565 B1 EP 2089565B1 EP 20070858424 EP20070858424 EP 20070858424 EP 07858424 A EP07858424 A EP 07858424A EP 2089565 B1 EP2089565 B1 EP 2089565B1
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weft
columns
warp
fiber
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Patrick Dunleavy
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Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Messier Dowty SA
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    • D03—WEAVING
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    • Y10T442/00—Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/30—Woven fabric [i.e., woven strand or strip material]
    • Y10T442/3179—Woven fabric is characterized by a particular or differential weave other than fabric in which the strand denier or warp/weft pick count is specified
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T442/3195—Three-dimensional weave [e.g., x-y-z planes, multi-planar warps and/or wefts, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a 3D composite fabric.
  • the present invention relates to an optimized reinforcement fabric, of the multiply bonded type, which can be used for the production of composite material parts which are highly stressed in tension, compression or bending, and / or subjected to impacts. Among such parts, one can for example quote the landing struts.
  • Textile structures known as 1D or 2D are known depending on whether their fibers extend in a single direction or in two different directions. These structures, in general, do not make it possible to respond effectively to the aforementioned requests.
  • the so-called 3D structures comprising fibers extending in three distinct directions in space, are better able to respond to said stresses.
  • 4D, 5D, 9D, 11D ... with fibers extending in a larger number of distinct directions, but these structures are very complex and their production is difficult to automate.
  • the invention therefore relates more particularly to 3D textile structures.
  • 3D structures comprising a plurality of layers linked by connection points. These structures are known to have good linearity when bending the weft fibers, and offer the advantage of having reinforcements. However, this binding method does not give the piece produced from such a fabric good impact resistance.
  • Woven fabric is also known to be woven, the orthogonal 3D fabric (in which the ply-bonding fibers extend substantially orthogonally to the plies) being the one having the best linearity (i.e., a path with small bond angles or inflections) of the weft fibers and the warp fibers , and that resists compression well.
  • this fabric in order for this fabric to have a fiber volume fraction of interest, it must be compressed so that the orthogonal wires at the folds used to connect them acquire sharp inflections giving them a very undulating and therefore not very linear path, which does not does not contribute effectively to the transfer of effort.
  • non-orthogonal 3D fabrics are more interesting, they nevertheless have the drawback of having binding fibers having binding angles or inflections that are too great, that the reinforcement of the fabric is simple, type taffeta, satin or twill multiply, or that the frame is more elaborate, as the frame type 3X.
  • the fabric known as "2,5D”, described in the document FR 2,610,951 , particularly optimized, has low expansion and a high percentage of occupied area, but at the expense of low linearity (i.e. at least some of the fibers have significant inflections or binding angles).
  • the definition of this fabric gives it angular characteristics detrimental to impact resistance and limits reversible textile structures (obtained by rotating the frame at 90 degrees) to low density structures, unless a high number of plies added, which makes it difficult to automate.
  • the subject of the invention is a process for weaving an optimized 3D fabric having good resistance, in particular to impacts, while being easily deformable.
  • the relevant warp fibers A, B, C are represented in solid lines.
  • the warp fiber A passes over the first weft fiber 1 of the first column C1, passes under the second weft fiber 16 of the fifth column C5, passes over the first weft fiber 1 of the first column C1 of the following pattern.
  • the warp fiber B and the warp fiber C are parallel to the warp fiber A, but are shifted according to the fabric thickness of one weft fiber each time.
  • the basic pattern of the fabric reinforcement described here can be easily extended, both in the direction of the thickness of the fabric (hence in the direction of the columns), and in the lateral direction (so in the direction of levels).

Description

  • L'invention concerne un tissu composite 3D.
    • ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne un tissu à armature optimisée, du type à multiplis liés, qui peut être utilisé pour la production de pièces en matériau composite qui sont très sollicitées en tension, compression ou flexion, et/ou soumises à des impacts. Parmi de telles pièces, on peut par exemple citer les contrefiches d'atterrisseurs.
  • On connaît des structures textiles, appelées 1D ou 2D selon que leurs fibres s'étendent dans une seule direction ou dans deux directions différentes. Ces structures, en général, ne permettent pas de répondre efficacement aux sollicitations précitées. Les structures dites 3D, comportant des fibres s'étendant selon trois directions distinctes dans l'espace, sont plus à même de répondre auxdites sollicitations. On sait qu'il existe des structures dites 4D,5D,9D,11D... comportant des fibres s'étendant selon un nombre plus important de directions distinctes, mais ces structures sont très complexes et leur production est difficilement automatisable.
  • L'invention a donc trait plus particulièrement aux structures textiles 3D.
  • Parmi celles-ci, on connaît des structures 3D comportant une pluralité de couches liées par des points de liaison. Ces structures sont connues pour présenter une bonne linéarité lors de la flexion des fibres de trame, et offrent l'avantage de comporter des renforcements. Cependant, cette méthode de liaison ne confère pas à la pièce produite à partir d'un tel tissu une bonne résistance aux impacts.
  • On connaît également des tissus multiplis liés par tissage, le tissu 3D de type orthogonal (dans lequel les fibres de liaison des plis s'étendent sensiblement orthogonalement aux plis) étant celui qui présente la meilleure linéarité (c'est-à-dire un parcours avec des angles de liaison ou des inflexions faibles) des fibres de trame et des fibres de chaîne, et qui résiste bien à la compression. Cependant, afin que ce tissu présente une fraction volumique de fibres intéressante, il doit être compressé de sorte que les fils orthogonaux aux plis servant à les relier entre eux acquièrent des inflexions fortes leur donnant un parcours très ondulé donc peu linéaire, ce qui ne leur permet pas de contribuer efficacement au transfert d'efforts.
  • Bien qu'à cet égard, les tissus 3D non orthogonaux sont plus intéressants, ils ont néanmoins l'inconvénient de présenter des fibres de liaison ayant des angles de liaison ou des inflexions trop importants, ceci que l'armature du tissu soit simple, du type taffetas, satin ou sergé multiplis, ou encore que l'armature soit plus élaborée, comme l'armature de type 3X.
  • Le tissu connu sous le nom de « 2,5D », décrit dans le document FR 2 610 951 , particulièrement optimisé, présente une expansion faible et un pourcentage élevé de surface occupée, mais au prix d'une faible linéarité (c'est-à-dire qu'au moins certaines des fibres présentent des inflexions ou angles de liaison importants). La définition de ce tissu lui confère des caractéristiques angulaires préjudiciables à la tenue aux impacts et limite les structures textiles réversibles (obtenues par rotation de l'armature à 90 degrés) à des structures de faible densité, à moins qu'un nombre élevé de plis supplémentaires soit ajouté, ce qui rend difficile sa fabrication automatisée.
  • Quant au tissu décrit dans le document US5899241 ( EPO856601 A1 ), il est particulièrement optimisé pour la résistance aux impacts. Cependant, le niveau élevé d'entrelacement entre les plis limite la résistance à la compression d'un élément fabriqué à partir d'un tel tissu.
    • OBJET DE L'INVENTION
  • L'invention a pour objet un procédé de tissage d'un tissu 3D optimisé présentant une bonne résistance notamment aux impacts, tout en étant facilement déformable.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • L'invention sera directement décrite en référence à l'unique figure annexée représentant un motif de base du tissu selon un mode particulier de réalisation de l'invention, dans lequel les fibres de trame sont représentés en bout et les fibres de chaîne s'étendent selon des plans parallèles au plan de la figure. Le tissu comporte ici un motif de base comportant :
    • au moins vingt-huit fibres de trame (vues en bout), numérotées 1 à 28, disposées en quinconce et formant 8 colonnes C1...C8 qui s'étendent perpendiculairement à une épaisseur du tissu, et qui comportent alternativement quatre et trois fibres de trame en étant séparées d'un même espace prédéterminé P, les fibres de trame s'étendant dans sept niveaux N1...N7 qui s'étendent transversalement aux colonnes. Ainsi, les première, troisième, cinquième et septième colonnes C1,C3,C5,C7 comportent quatre fibres de trame, s'étendant respectivement dans les niveaux N1,N3,N5 et N7, tandis que les deuxième, quatrième, sixième et huitième colonnes C2,C4,C6,C8 comportent trois fibres de trame s'étendant respectivement dans les niveaux N2,N4,N6;
    • au moins douze fibres de chaîne A...L disposées dans au moins quatre plans parallèles s'étendant transversalement aux fibres de trame, chacun de ces plans contenant au moins trois fibres de chaîne parallèles disposées les unes au dessus des autres de la façon suivante.
  • Dans un premier plan qui coïncide avec le plan de la figure, les fibres de chaîne concernées A,B,C, sont représentées en traits pleins. La fibre de chaîne A passe par-dessus la première fibre de trame 1 de la première colonne C1, passe sous la deuxième fibre de trame 16 de la cinquième colonne C5, passe par-dessus la première fibre de trame 1 de la première colonne C1 du motif suivant. Dans ce même plan, la fibre de chaîne B et la fibre de chaîne C sont parallèles à la fibre de chaîne A, mais sont décalées selon l'épaisseur du tissu d'une fibre de trame à chaque fois.
  • Dans un deuxième plan qui est ici en arrière du premier plan, les fibres de chaîne sont sensiblement parallèles aux niveaux N1... N7 et sont représentées en traits interrompus. La fibre de chaîne D passe au dessus de la première fibre de trame 5 de la deuxième colonne C2, en dessous de la première fibre de trame 8 de la troisième colonne C3, au dessus de la première fibre de trame 12 de la quatrième colonne C4, et ainsi de suite. Les fibres de chaîne E et F suivent un chemin parallèle, en étant décalées selon une direction parallèle aux colonnes d'une fibre de trame à chaque fois ;
    • dans un troisième plan qui est ici en arrière du deuxième plan, les fibres de chaîne G,H,I sont représentées en traits interrompus mixtes. Elles suivent un chemin parallèle à celui des fibres de chaîne A,B,C du premier plan, mais elles sont décalées latéralement, selon une direction parallèle aux niveaux, de quatre colonnes ;
    • enfin, dans un quatrième plan qui est ici en arrière du troisième plan, les fibres de chaîne J,K,L sont représentées en traits pointillés. Elles sont parallèles aux fibres de chaîne D,E,F, mais sont décalées selon l'épaisseur du tissu de sorte que la fibre de chaîne J passe sous la première fibre de trame 5 de la deuxième colonne, la fibre de chaîne K passe sous la fibre de trame 6 de cette même colonne, et la fibre de chaîne .L passe sous la fibre de trame 7 de cette même colonne.
  • Cette disposition offre plusieurs avantages :
    • elle permet d'obtenir une structure multiplis ayant un degré de liaison adapté à fournir une bonne résistance à la délamination, et, partant, une meilleure résistance aux impacts et à la compression, tout en préservant une bonne déformabilité ;
    • ce tissu peut est fabriqué à partir de fibres de carbone, mais également de fibres de verre, de fibres d'aramide, ou encore de fibres silicées ou céramiques. Il constitue avantageusement une préforme qui peut être imprégnée de résine par exemple par le procédé RTM (Resin transfer moulding) après mise en forme de la préforme dans un moule ou tout autre procédé ;
    • ce tissu permet le tissage automatisé de fibres qui ont des performances mécaniques importantes (par exemple des fibres de carbone à haut module d'élasticité), mais qui sont fragiles au tissage. Il est même possible d'utiliser des fibres de carbone ayant une densité linéaire importante, telle que des fibres à 48 ou 96 kilofilaments, voire plus ;
    • le tissu ainsi obtenu présente une fraction volumique de fibres importante, au moins égale ici à 57% ;
    • la disposition des fibres de chaîne en plusieurs plans décalés induit des angles de liaison θ assez faibles, en pratique inférieurs ou égal à 15°, ce qui confère aux fibres de trame et aux fibres de chaîne une très bonne linéarité qui permet de faire travailler plus efficacement les fibres en compression ;
    • cette disposition permet de déséquilibrer la proportion de fibres de chaîne par rapport à la proportion de fibres de trame pour compenser la non-linéarité de ces dernières (par exemple 70% de fibres de trame pour 30% de fibres de chaîne) ;
    • enfin, cette disposition peut être renversée (en tournant l'armature de 90°) pour en améliorer la linéarité.
  • L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais bien au contraire englobe toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.
  • En particulier, le motif de base de l'armature du tissu décrit ici peut être étendu facilement, à la fois dans la direction de l'épaisseur du tissu (donc dans la direction des colonnes), et dans la direction latérale (donc dans la direction des niveaux).

Claims (4)

  1. Tissu en fils ou fibres tissés comportant des fibres de trame et des fibres de chaîne disposées selon une armature ayant un motif de base qui comporte:
    - au moins vingt-huit fibres de trame (1...28), disposées en quinconce et formant huit colonnes (C1...C8) parallèles dont des première, troisième, cinquième et septième colonnes qui comportent chacune quatre fibres de trame et des deuxième, quatrième, sixième et huitième colonne qui comportent chacune trois fibres de trame, les colonnes étant séparées d'un même espace prédéterminé (P) et les fibres de trame (1...28) s'etendant dans sept niveaux (N1...N7) qui s'étendent transversalement aux colonnes ;
    - au moins douze fibres de chaîne (A...L) disposées dans au moins quatre plans parallèles s'étendant transversalement aux fibres de trame et décalés les uns par rapport aux autres, caractérisé en ce que chacun de ces plans contient au moins trois fibres de chaîne parallèles disposées les unes au dessus de autres de la façon suivante :
    - dans un premier plan, une première fibre de chaîne (A) passe par-dessus la première fibre de trame (1) de la première colonne (C1), passe sous la deuxième fibre de trame (16) de la cinquième colonne (C5), puis passe par-dessus la première fibre de trame (1) de la première colonne (C1) du motif suivant ; des deuxième et troisième fibres de chaîne (B,C) s'étendent dans ledit premier plan parallèlement à la première fibre de chaîne (A), en étant décalées selon une direction parallèle aux colonnes d'une fibre de trame à chaque fois.
    - dans un deuxième plan, une première fibre de chaîne (D) s'étend sensiblement parallèlement aux niveaux (N1..N7) et passe au dessus de la première fibre de trame (5) des colonnes (C2, C4,C6,C8) comportant trois fibres de trame, et en dessous de la première fibre de trame des colonnes (C1,C3,C5,C7) comportant quatre fibres de trame; des deuxième et troisième fibres de chaîne (E,F) s'étendent parallèlement à la première fibre de chaîne (D), en étant décalées selon une direction parallèle aux colonnes d'une fibre de trame à chaque fois ;
    - dans un troisième plan, les trois fibres de chaîne (G,H,I) concernées s'étendent parallèlement aux fibres de chaîne (A,B,C) du premier plan, en étant décalées latéralement, selon une direction parallèle aux niveaux, de quatre colonnes ;
    - enfin, dans un quatrième plan, les trois fibres de chaîne (J,K,L) concernées s'étendent parallèlement aux fibres de chaîne (D,E,F) du deuxième plan, en étant décalées, selon une direction parallèle, aux colonnes, de sorte qu'ils passent sous les fibres de trame des colonnes (C2,C4,C6,C8) ayant trois fibres de trame.
  2. Tissu selon la revendication 1, ayant une fraction volumique de fibres au moins égale à 57 %.
  3. Tissu selon la revendication 1, dans lequel les fibres ont des angles de liaison (θ) inférieurs ou égaux à 15°.
  4. Pièce obtenue à partir du tissu de la revendication 1.
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