EP4688404A1 - Procede de fabrication d'une piece en materiau composite thermoplastique raidie ayant une forme cylindrique - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece en materiau composite thermoplastique raidie ayant une forme cylindrique

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Publication number
EP4688404A1
EP4688404A1 EP24721724.3A EP24721724A EP4688404A1 EP 4688404 A1 EP4688404 A1 EP 4688404A1 EP 24721724 A EP24721724 A EP 24721724A EP 4688404 A1 EP4688404 A1 EP 4688404A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
panels
cylinder
assembly
stiffening elements
panel
Prior art date
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Pending
Application number
EP24721724.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédérick CAVALIERE
Cécile LESAMBER
Alexis VILLEMAIN
Jean-Marc BARTOLUCCI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArianeGroup SAS
Original Assignee
ArianeGroup SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B29D99/001—Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings
    • B29D99/0014—Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings provided with ridges or ribs, e.g. joined ribs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B29C70/342—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using isostatic pressure
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    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/304—In-plane lamination by juxtaposing or interleaving of plies, e.g. scarf joining
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    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/44—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding
    • B29C70/446—Moulding structures having an axis of symmetry or at least one channel, e.g. tubular structures, frames
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29L2031/00—Other particular articles
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    • B29L2031/7172—Fuel tanks, jerry cans

Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a part made of thermoplastic matrix composite material provided with stiffening elements welded by coconsolidation.
  • the invention is of particular interest for the manufacture of cylindrical parts, called ferrules, intended to equip space launchers but is however not limited to this application.
  • Composite materials provide a weight saving compared to metallic materials, which is of particular interest in aerospace and aeronautical applications with a view to improving performance.
  • thermoplastic composite material parts having a cylindrical shape with stiffening elements do not give entirely satisfactory results.
  • Such parts can in particular form inter-stage shells of space launchers, among other possible applications, which are generally subjected to high mechanical stresses and for which the use of stiffening elements is of particular importance.
  • Stiffeners made of thermoplastic composite material can be welded in processes where, at a minimum, the joining zone is heated so as to melt the resins present and then in which the assembly is fixed by cooling.
  • the correct docking of these elements involves very tight requirements on the shape tolerances of the parts that must be in contact, and these tolerances can be difficult to obtain in the case of double-curved shapes.
  • the complexity of the process can be further increased if it is desired to obtain a large part.
  • the known techniques can thus lead to clearances between the shell and the stiffening elements, due to a local welding defect, resulting in a significant reduction in the performance of the part, or even in production rejects.
  • the present disclosure relates to a method of manufacturing a stiffened thermoplastic composite material part having a cylindrical shape, the method comprising:
  • a precursor assembly of the part to be manufactured in a vacuum molding tool the assembly being made of thermoplastic pre-impregnated fibrous material and comprising (i) a sectored cylinder formed by panels juxtaposed around an axis of the cylinder, and (ii) stiffening elements assembled on each of the panels and present on an internal surface of the cylinder, the tool comprising an internal part covered with a vacuum cover, located opposite the internal surface of the cylinder and the stiffening elements, on which the assembly is positioned, and an external molding part of cylindrical shape, located opposite an external surface of the cylinder, and
  • the positioning of the stiffening elements on each of the panels, which form cylinder sectors, is made easier compared to an assembly on a complete shell.
  • the shaping step implementing a plating of the elements by vacuum drawing coupled with a temperature rise to fluidize the latter makes it possible to guarantee the good docking of the stiffening elements on the cylinder and therefore the good mechanical strength of the welded connection, as well as a robust weld between the neighboring panels.
  • the composite material part is obtained by an operation called co-consolidation of the panels and the stiffening elements which produces a weld, after cooling, due to the interpenetration of the polymer chains having taken place during the cooking on either side of the welded interfaces.
  • the external positioning of the molding part makes it easier to disassemble relative to an internal molding surface.
  • the internal part has in the invention only a positioning function and not a molding function, and therefore has a much simpler design and a more easily disassemblable character.
  • the external molding part has a relatively simple design relative to an internal molding surface which should take into account the complexity of shape generated by the stiffening elements, and does not interfere with the latter which are located on the internal surface of the cylinder.
  • the sectored cylinder is formed by the panels juxtaposed around the axis of the cylinder with overlap between the neighboring panels.
  • the neighboring panels may have a thinning in thickness on their overlapping zone towards their edges.
  • Such a feature helps to further minimize misalignments and stress concentrations in the resulting part.
  • each panel comprises a plurality of circumferential frame sectors extending beyond said panel so as to form an extension, said extension being assembled with the frame sectors of a neighboring panel outside a junction zone between these two panels.
  • the assembly between the frame sectors introduces a rigidity which it is preferable to deport outside the junction zone in order to increase the flexibility of this zone and thus facilitating the welding between the panels during co-consolidation.
  • the assembly between the frame sectors helps to correctly position the panels to form the cylinder.
  • the method further comprises, prior to positioning the precursor assembly in the molding tooling, forming the panels by automatic fiber placement, the panels being draped over a form distinct from the internal positioning portion.
  • This technique allows access to a wide variety of geometries, particularly in relation to winding, or to automatically drape excess thicknesses or local reinforcements.
  • the draping tooling is separate from the vacuum molding tooling, which reduces the manufacturing cycle time.
  • the stiffening panels and elements comprise carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, or a mixture of such fibers.
  • Figure 1 shows, schematically in perspective, an example of a panel usable within the framework of the invention.
  • Figure 2 shows, schematically and partially, a cross-section, relative to the X axis, of the panel of Figure 1.
  • Figure 2A shows, schematically and partially, the bevel angle of the panel of Figure 2.
  • Figure 3 shows, schematically in perspective, the covering of two neighboring panels according to an exemplary implementation of the invention.
  • Figure 3A shows, schematically and partially, a detail of an example of assembly between frame sectors of two neighboring panels.
  • Figure 4 represents, schematically and partially, a variant of a sectored cylinder.
  • Figure 5 shows, schematically and partially, another variant of the sectorized cylinder.
  • Figure 6 shows, schematically and partially, another variant of the sectorized cylinder.
  • Figure 7 represents, schematically and partially, another variant of sectored cylinder.
  • Figure 8 schematically and partially represents a precursor assembly of the part to be manufactured positioned in a vacuum molding tool as part of an exemplary implementation of the invention.
  • Figure 9 schematically represents the vacuum cooking of the assembly illustrated in Figure 8.
  • Figure 10 schematically represents the part obtained after cooling.
  • the sectored cylinder is obtained by juxtaposition of thermoplastic pre-impregnated fibrous panels. Generally speaking, it may comprise at least two fibrous panels, or even at least three fibrous panels. The example described here concerns the case of a cylinder with four panels.
  • the panels are advantageously made by automatic placement of fibers, which constitutes a technique known per se.
  • the panels 10 each comprise a fiber reinforcement pre-impregnated with a thermoplastic resin.
  • the choice of the reinforcement material and the resin depends on the intended application.
  • the fiber reinforcement comprises carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, or a mixture of such fibers.
  • the resin is a PAEK (polyaryletherketone), PEEK (polyetheretherketone), PEKK (polyetherketoneketone), PES (polyethersulfone), PPS (poly(phenylene sulfide)), or PEI (polyetherimide) resin.
  • PAEK polyaryletherketone
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEKK polyetherketoneketone
  • PES polyethersulfone
  • PPS poly(phenylene sulfide
  • PEI polyetherimide
  • the panels 10 extend along an axis X, corresponding to the axis of the cylinder obtained after juxtaposition of the panels, and have a curved shape in cross section relative to the axis X.
  • the panels 10 may or may not have an elongated shape along the axis X, depending on the geometry desired for the part.
  • the panels 10 define two edges 10a, 10b which are, in the illustrated example, intended to be superimposed with a neighboring panel, as will be described below.
  • the edges 10a, 10b extend along the axis X, and may be colinear with the latter as illustrated.
  • the draping form is not an integral part of the vacuum molding tooling so as to allow parallel operation between draping and curing, and thus reduce the manufacturing cycle time.
  • the panels 10 are, in the example of FIG. 1, provided with rectilinear stiffeners 12 made of thermoplastic composite.
  • Each stiffener 12 is formed of a fibrous reinforcement impregnated with a thermoplastic resin identical to, or failing that compatible with, the resin(s) of the panels 10.
  • These stiffeners 12 are formed by conventional means known to those skilled in the art, for example by manual or automated draping, draping in a shaped mold or stamping under a press of raw flat plates, production of dry preforms and injection of resin into a mold by a resin transfer molding technique ("Resin Transfer Molding"; "RTM").
  • the stiffeners 12 can have any cross-section, for example Omega, T, J, among other possible shapes.
  • the stiffeners 12 may or may not have a local variation in shape or cross-section. As illustrated, the stiffeners 12 may be present on at least the majority (more than 50%), or even at least 80%, of the dimension DX of the panels measured along the X axis.
  • the illustrated panels 10 are also provided with circumferential frame sectors 14 made of thermoplastic composite which constitute stiffening elements.
  • Each frame sector 14 is formed of a fibrous reinforcement impregnated with a thermoplastic resin identical to, or failing that compatible with, the resin(s) of the panels 10 and the stiffeners 12.
  • the frame sectors 14 are formed in a manner known per se.
  • the frame sectors 14 may have any section, for example Z-shaped, C-shaped, F-shaped, T-shaped, Omega-shaped or J-shaped.
  • Each frame sector may have a groove at the ends (so as to be assembled by overlapping the other frame sectors in order to form the complete frame), or may be straight (to be assembled with the other frame sectors via a fishplate).
  • the frame sectors 14 may have variations in shape at the level of the soles which will be in contact with the panel 10 (to best adjust to the variations on the panel 10 side).
  • the frame sectors 14 may have notches crossed by the stiffeners 12 and cooperating with the latter. These notches may have the same shape and substantially the same dimensions as the stiffeners 12 crossing them.
  • the frame sectors 14 may be assembled to the stiffeners 12 by an interface part but it is not departing from the scope of the invention if such a part is omitted. [0026]
  • the frame sectors 14 and the stiffeners 12 are assembled on an internal surface of the cylinder once the panels 10 are juxtaposed. Generally speaking, it will be noted that the panels 10 may include areas of excess thickness forming local reinforcements.
  • stiffeners 12 and frame sectors 14 are assembled on the panels 10 by techniques known per se, such as spot welding, stapling, or the use of added fasteners. This assembly simply has the purpose of positioning the stiffeners 12 and frame sectors 14 on the panels 10, but not of producing a robust connection of the latter to the panels 10 which is obtained after the co-consolidation which will be described below.
  • the panels 10 also have a zone 19, located on the side of the edge 10b and extending over the entire dimension DX, which is devoid of any stiffening element (no stiffener 12, nor frame sector 14).
  • the frame sectors 14 protrude from the panel 10 on the side opposite the zone 19 (on the side of the edge 10a), and form an extension 15 of the frame sectors 14.
  • the presence of the zone 19 as well as the extension of the frame sectors 14 are the result of the arrangement envisaged for the juxtaposition between neighboring panels 10.
  • FIG. 2 shows the evolution of the thickness elO of the panels 10 along the Y axis perpendicular to the X axis.
  • the panels 10 have a median zone 101 of their width where the thickness elO is substantially constant, and two lateral zones 103a and 103b each located on the side of a respective edge 10a, 10b which have an evolving thickness.
  • the zone 101 is located between the zones 103a, 103b.
  • the zone 103a connects the zone 101 to the edge 10a, and the zone 103b connects the zone 101 to the edge 10b. More precisely, the zones 103a, 103b have a thinning of thickness in the direction of the associated edge 10a, 10b.
  • the thickness elO can be strictly decreasing in the direction of the edge 10a, 10b.
  • the thickness elO is minimal on the edges 10a, 10b and maximal on the median zone 101.
  • the panels 10 have a bevel on their edges 10a, 10b.
  • the panels 10 have, in cross-section relative to the X axis, a tapered shape in the direction of their edges 10a, 10b.
  • the zones 103a and 103b jointly occupy at least 5%, for example at least 50%, of the dimension DY of the panel 10. Unless otherwise stated, the dimension DY corresponds to the length of the arc of the curve connecting the edge 10a to the edge 10b.
  • the thickness thinning leads to a reduction in the thickness elO of at least 50%, for example at least 90%. This reduction in the thickness elO is for example between 50% and 95%, or even between 90% and 95%.
  • FIG. 2A schematically represents a thinning of the thickness of the panel 10 in the direction of an edge 10b linked to the presence of a decreasing quantity of superimposed plies PS in the direction of the edge 10b.
  • the bevel angle a corresponding to the angle taken locally on the edge 10b, can advantageously be less than or equal to 1.5°, so as to further improve the smoothing of the forces.
  • FIG 3 illustrates the juxtaposition of two neighboring panels 10 around the axis X.
  • the two illustrated panels 10 have the same structure and the same references are retained with respect to what has just been described.
  • the panels 10 partially overlap here.
  • the panels have a thinning of thickness on their overlap zone ZR10, that is to say that the zone 103b of the first panel 10 is covered by the zone 103a of the second neighboring panel 10.
  • the edge 10b of the first panel 10 is superimposed with the second neighboring panel 10, and the edge 10a of the second panel 10 is superimposed with the first panel.
  • the stiffeners 12 and frame sectors 14 of the second panel 10 cover the area 19 of the first panel 10.
  • the extension 15 of the frame sectors 14 of the second panel 10 extends over the area 101 of the first panel and is positioned adjacent to and in line with the frame sectors 14 of the first panel.
  • the extension 15 extends beyond the overlapping area ZR10, which here corresponds to the junction area between the panels 10.
  • the extension 15 is assembled with the frame sectors 14 of the first panel 10 by techniques known per se, for example by overlapping, warsting or splicing. This assembly can be carried out outside the area ZR10.
  • Figure 3A illustrates an example of such an assembly where a fishplate 14a, present outside the zone ZR10, connects the frame sectors 14 of the first and second panels 10.
  • the fishplate 14a may also comprise a thermoplastic material so as to ensure its welding to the frame sectors 14 during co-consolidation.
  • the cylinder 100 is formed by tiling all the panels 10, that is to say that each of the panels has a first edge 10b covering (above) a first neighboring panel, and a second edge 10a, opposite the first edge 10b, covered (below) by a second neighboring panel, opposite the first neighboring panel.
  • first edge 10b covering (above) a first neighboring panel
  • second edge 10a opposite the first edge 10b, covered (below) by a second neighboring panel, opposite the first neighboring panel.
  • the thinning of the thickness of the neighboring panels 10 on their overlap zone ZR10 in the direction of their edges 10a, 10b is noted.
  • a vacuum cover 34 is initially placed on a positioning portion 32.
  • the portion 32 is of much simpler design than a molding surface in that it is simply used for positioning the elements. It is, therefore, more easily removable.
  • the portion 32 is supported by a shaft 36 which extends along the X axis which corresponds to the X axis of the panels 10 and the cylinder 100, which has been described previously.
  • the portion 32 may have an airy structure, for example in a lattice, or comprise a plurality of retractable positioning elements fixed to the shaft.
  • the portion 32 may, as illustrated, generally have the shape of the part to be obtained.
  • the cover 34 covers the portion 32.
  • the cover 34 may be made of elastomeric material, reinforced or not, and constitutes an element known per se.
  • Positioning crowns 40 are then positioned at the ends 361, 363 of the shaft 36 which define a cylindrical positioning surface 42 intended to guide the external molding part 60 during its positioning.
  • each panel 10 carries a plurality of frame sectors 14 and a plurality of stiffeners 12.
  • the part 32 can define housings, for example in the form of cavities opening onto the surface of the part 32, in which the stiffening elements 12, 14 are positioned.
  • the stiffening elements 12, 14 can bear on a wall defining the cavities, or on a positioning element present in them, to assist in their placement in the tooling 30.
  • the cylinder 100 delimits an internal volume V of the part to be obtained.
  • the cylinder 100 is made of thermoplastic pre-impregnated fibrous material.
  • the stiffening elements 12, 14 are assembled on an internal surface SI of the cylinder 100.
  • the stiffeners 12 carried by the cylinder 100 can be regularly spaced along a circumferential direction, around the axis X.
  • the frame sectors 14 carried by the cylinder 100 can be regularly spaced along the axis X.
  • these spacings are not regular, the positioning of the stiffening elements being adjusted according to the part and the stresses it undergoes during operation.
  • the cylinder 100 has a diameter greater than its dimension along the X axis.
  • the scope of the invention does not go beyond that when the invention is applied to the formation of parts having an elongated shape along the X axis, for example at least ten meters long.
  • the external molding part 60 is then positioned, which is in the shape of the part to be obtained and which surrounds the cylinder 100.
  • the cylinder 100 is located inside the part 60.
  • the part 60 is located around the cylinder 100.
  • the part 60 extends from one crown 40 to the other. It comes opposite the surface 42.
  • An internal surface SI of the cylinder 100 is located on the side of the cover 34 (and delimits the internal volume V), and an external surface S2 of the cylinder 100 is located on the side of the part 60.
  • the shaft 36, as well as the tooling 30, are oriented vertically, but the person skilled in the art will recognize that the invention can be applied to a tooling 30 extending horizontally. In which case, it may be useful to provide the casting part with stiffeners on its face. opposite the assembly so that it retains its shape, particularly if the manufacture of a part of considerable length is envisaged.
  • the seals 52 between the cover 34 and the part 60 are then produced.
  • the precursor assembly is thus positioned in the vacuum molding tool 30 for the purpose of forming the part by co-consolidation.
  • the cylinder 100 is interposed between the cover 34 and the molding part 60.
  • the part 32 is located inside the precursor assembly, that is to say is located inside the internal volume V of the part to be obtained.
  • the part 60 is located outside this internal volume V and forms an external part of the assembly, intended for molding the part.
  • the panels 10 are juxtaposed around the X axis with overlap between the neighboring panels.
  • the neighboring panels 10 may be in contact on their overlap zone ZR10.
  • the stiffeners 12 and frame sectors 14 may be in contact with the panels 10, and therefore with the internal surface of the cylinder 100.
  • the tool 30 is placed under vacuum so that the tarpaulin 34 presses the stiffening elements 12, 14 against the internal surface SI of the cylinder 100 and conforms the assembly to the desired shape against the part 60.
  • the vacuum draw leads to the panels 10 being pressed against their overlap zone ZR10, as well as to the application of pressure on the stiffeners 12 and frame sectors 14 which are pressed against the internal surface SI. Pressure is also applied to any third-party assembly elements, useful for connecting the sectors 14 of the frame of neighboring panels 10, to press the assembly to be connected onto the surface SI.
  • the resin from a first panel penetrates into a second neighboring panel and the resin from the second panel penetrates into the first panel
  • the baking can be carried out in a heating chamber, such as an oven or an autoclave.
  • the autoclave will provide additional pressure in addition to the vacuum.
  • a molding tool equipped with heating elements can be used to carry out this baking.
  • the temperature imposed during baking depends on the resin(s) used and may for example be greater than or equal to 300°C, for example between 300°C and 400°C.
  • the part 1000 is tubular in cylindrical shape, and forms a stiffened shell. It constitutes an integrated structure with assembly by co-consolidation of all the constituent elements of the structure.
  • a tool 30 made of composite material may be used to reduce the phenomenon of differential expansion between the tool 30 and the part 1000.
  • the tool 30 may be metallic, for example made of Invar, or made of steel. In the latter case, it may be advantageous to minimize the stresses during cooling by providing a half-opening of the part 60.
  • the tool 30 is then dismantled, which is facilitated by the positioning of the molding part 60 outside the part 1000 obtained, and by the simplified design of the internal part 32.
  • the part 1000 obtained can be integrated into a space launcher, for example as an inter-stage or inter-tank shell, or even form a tank after having added bottom elements.
  • the field of the invention is however not limited to a part for integration into an aerospace launcher and the part can alternatively find an application in the aeronautical field or, more generally, in any application requiring a stiffened shell.

Landscapes

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  • Blow-Moulding Or Thermoforming Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (1000) cylindrique raidie, comprenant : - le positionnement d'un assemblage précurseur de la pièce à fabriquer dans un outillage (30), l'assemblage étant en matériau fibreux pré-imprégné thermoplastique et comprenant (i) un cylindre sectorisé, et (ii) des éléments de raidissement présents sur une surface interne du cylindre, l'outillage comprenant une partie interne (32) revêtue d'une bâche (34) à vide, située en regard de la surface interne du cylindre, sur laquelle l'assemblage est positionné, et une partie externe (60) de moulage de forme cylindrique, située en regard d'une surface externe (S2) du cylindre, et - la conformation de l'assemblage sur la partie externe de moulage et la solidarisation par co-consolidation des éléments de raidissement sur la surface interne du cylindre avec tirage de vide dans l'outillage de moulage, afin d'obtenir la pièce en matériau composite à laquelle les éléments de raidissement sont solidarisés.

Description

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite thermoplastique raidie ayant une forme cylindrique
Domaine Technique
[0001] Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite à matrice thermoplastique munie d'éléments de raidissement soudés par coconsolidation. L'invention trouve un intérêt particulier pour la fabrication de pièces cylindriques, dites viroles, destinées à équiper des lanceurs spatiaux mais n'est toutefois pas limitée à cette application.
Technique antérieure
[0002] Les matériaux composites apportent un gain de masse par rapport aux matériaux métalliques, ce qui présente un intérêt particulier dans les applications aérospatiales et aéronautiques dans l'optique d'améliorer les performances.
[0003] Les techniques connues pour munir des pièces en matériau composite thermoplastique ayant une forme cylindrique par des éléments de raidissement ne donnent pas des résultats entièrement satisfaisants. De telles pièces peuvent en particulier former des viroles inter-étages de lanceurs spatiaux, entre autres applications possibles, qui sont généralement soumises à de fortes sollicitations mécaniques et pour lesquelles l'emploi d'éléments de raidissement revêt une importance particulière.
[0004] Les raidisseurs en matériau composite thermoplastique peuvent être soudés dans des procédés où, a minima, la zone de solidarisation est chauffée de sorte à faire fondre les résines en présence puis dans lesquelles l'ensemble est figé par refroidissement. Néanmoins dans le cas particulier de pièces et d'éléments de raidissement ayant chacun une forme cylindrique, le bon accostage de ces éléments implique des exigences très serrées sur les tolérances de forme des pièces devant être en contact, et ces tolérances peuvent être difficiles à obtenir dans le cas de formes en double courbure. La complexité du procédé peut être encore accrue si l'obtention d'une pièce de grande dimension est souhaitée. Les techniques connues peuvent ainsi conduire à des jeux entre la virole et les éléments de raidissement, du fait d'un défaut de soudure local, aboutissant à un abaissement notable des performances de la pièce, voire même à des rebuts en production. [0005] Cumulativement à ce problème de gestion des entrefers se pose le problème de la conception et du coût des outillages pour réaliser ce soudage. Les formes complexes mises en œuvre et le souhait de positionner des éléments de raidissement sur une surface interne de la virole ne rendent pas cette tâche aisée, notamment pour maintenir la géométrie des pièces malgré la fusion des thermoplastiques et réaliser le démontage à la fin du procédé. On connaît US2020298500 qui divulgue un procédé et un système pour la co-consolidation de pièces en matériau composite thermoplastique.
[0006] Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de fabrication d'une virole en matériau composite raidie ayant une forme cylindrique qui réponde à tout ou partie des inconvénients précités.
Exposé de l'invention
[0007] Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d'une pièce en matériau composite thermoplastique raidie ayant une forme cylindrique, le procédé comprenant :
- le positionnement d'un assemblage précurseur de la pièce à fabriquer dans un outillage de moulage sous vide, l'assemblage étant en matériau fibreux pré-imprégné thermoplastique et comprenant (i) un cylindre sectorisé formé par des panneaux juxtaposés autour d'un axe du cylindre, et (ii) des éléments de raidissement assemblés sur chacun des panneaux et présents sur une surface interne du cylindre, l'outillage comprenant une partie interne revêtue d'une bâche à vide, située en regard de la surface interne du cylindre et des éléments de raidissement, sur laquelle l'assemblage est positionné, et une partie externe de moulage de forme cylindrique, située en regard d'une surface externe du cylindre, et
- la conformation de l'assemblage sur la partie externe de moulage et la formation de la pièce par co-consolidation des éléments de raidissement et du cylindre, comprenant : o la cuisson de l'assemblage durant laquelle un vide est tiré dans l'outillage de moulage de sorte que la bâche à vide applique une pression pour plaquer les éléments de raidissement sur la surface interne du cylindre et conformer l'assemblage sur la partie externe de moulage, et durant laquelle la ou les résines thermoplastiques présentes dans l'assemblage sont fondues ou ramollies, et o le refroidissement de l'assemblage, après ladite cuisson, durant lequel la température est diminuée pour figer en forme l'assemblage ainsi conformé et obtenir la pièce en matériau composite à laquelle les éléments de raidissement sont solidarisés. [0008] Le positionnement des éléments de raidissement sur chacun des panneaux, qui forment des secteurs de cylindre, est facilité par rapport à un assemblage sur une virole complète. L'étape de conformation mettant en œuvre un plaquage des éléments par tirage de vide couplé à une montée en température pour fluidifier ces derniers permet de garantir le bon accostage des éléments de raidissement sur le cylindre et donc la bonne tenue mécanique de la liaison soudée, ainsi qu'une soudure robuste entre les panneaux voisins. La pièce en matériau composite est obtenue par une opération dite de co-consolidation des panneaux et des éléments de raidissement qui produit une soudure, après refroidissement, du fait de l'interpénétration des chaînes polymères ayant eu lieu lors de la cuisson de part et d'autre des interfaces soudées.
[0009] Par ailleurs, le positionnement externe de la partie de moulage permet de faciliter le démontage par rapport à une surface de moulage interne. La partie interne n'a dans l'invention qu'une fonction de positionnement et non de moulage, et présente donc une conception beaucoup plus simple et un caractère plus facilement démontable. En outre, la partie de moulage externe a une conception relativement simple par rapport à une surface de moulage interne qui devrait prendre en compte la complexité de forme générée par les éléments de raidissement, et n'interfère pas avec ces derniers qui sont situés sur la surface interne du cylindre.
[0010] Dans un exemple de réalisation, le cylindre sectorisé est formé par les panneaux juxtaposés autour de l'axe du cylindre avec recouvrement entre les panneaux voisins. [0011] Une telle caractéristique permet de simplifier davantage encore la structure en permettant une soudure directe des panneaux entre eux sans nécessiter l'emploi d'un élément mécanique tiers d'interface. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention si les panneaux sont juxtaposés bord-à-bord avec ajout d'un élément mécanique d'interface, tel qu'une éclisse, pour la liaison de chaque couple de panneaux voisins.
[0012] En particulier, les panneaux voisins peuvent présenter un amincissement d'épaisseur sur leur zone de recouvrement en direction de leurs bords.
[0013] Une telle caractéristique participe à minimiser davantage encore les désaffleurements et concentrations de contraintes dans la pièce obtenue.
[0014] Dans un exemple de réalisation, chaque panneau comprend une pluralité de secteurs de cadre circonférentiels s'étendant au-delà dudit panneau de sorte à former une extension, ladite extension étant assemblée avec les secteurs de cadre d'un panneau voisin en dehors d'une zone de jonction entre ces deux panneaux.
[0015] L'assemblage entre les secteurs de cadre introduit une rigidité qu'il est préférable de déporter en dehors de la zone de jonction afin d'augmenter la flexibilité de cette zone et faciliter ainsi la soudure entre les panneaux lors de la co-consolidation. En outre, l'assemblage entre les secteurs de cadre aide à positionner correctement les panneaux pour former le cylindre.
[0016] Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre, avant le positionnement de l'assemblage précurseur dans l'outillage de moulage, la formation des panneaux par placement automatique de fibre, les panneaux étant drapés sur une forme distincte de la partie interne de positionnement.
[0017] Cette technique permet d'avoir accès à une large variété de géométries, notamment par rapport au bobinage, ou de draper de manière automatisée des surépaisseurs ou renforts locaux. En outre, l'outillage de drapage est dissocié de l'outillage de moulage sous vide, ce qui permet de réduire la durée du cycle de fabrication.
[0018] Dans un exemple de réalisation, les panneaux et éléments de raidissement comprennent des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres d'aramide, ou un mélange de telles fibres.
[0019] Ces matériaux pour les fibres sont particulièrement adaptés à l'application lanceur spatial.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique en perspective, un exemple de panneau utilisable dans le cadre de l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, une section transversale, par rapport à l'axe X, du panneau de la figure 1.
[Fig. 2A] La figure 2A représente, de manière schématique et partielle, l'angle de biseau du panneau de la figure 2.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique en perspective, le recouvrement de deux panneaux voisins selon un exemple de mise en œuvre de l'invention.
[Fig. 3A] La figure 3A représente, de manière schématique et partielle, un détail d'un exemple d'assemblage entre secteurs de cadre de deux panneaux voisins.
[Fig. 4] La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, une variante de cylindre sectorisé.
[Fig. 5] La figure 5 représente, de manière schématique et partielle, une autre variante de cylindre sectorisé.
[Fig. 6] La figure 6 représente, de manière schématique et partielle, une autre variante de cylindre sectorisé.
[Fig. 7] La figure 7 représente, de manière schématique et partielle, une autre variante de cylindre sectorisé.
[Fig. 8] La figure 8 représente, de manière schématique et partielle, un assemblage précurseur de la pièce à fabriquer positionné dans un outillage de moulage sous vide dans le cadre d'un exemple de mise en œuvre de l'invention.
[Fig. 9] La figure 9 représente, de manière schématique, la cuisson avec mise sous vide de l'assemblage illustré à la figure 8.
[Fig. 10] La figure 10 représente, de manière schématique, la pièce obtenue après refroidissement.
Description des modes de réalisation
[0020] L'invention est à présent décrite au moyen de figures, présentes à but descriptif pour illustrer certains modes de réalisation de l'invention et qui ne doivent pas être interprétées comme limitant cette dernière.
[0021] Le cylindre sectorisé est obtenu par juxtaposition de panneaux fibreux pré-imprégnés thermoplastiques. D'une manière générale, il peut comporter au moins deux panneaux fibreux, voire au moins trois panneaux fibreux. L'exemple décrit ici concerne le cas d'un cylindre à quatre panneaux.
[0022] Les panneaux sont avantageusement réalisés par placement automatique de fibres, qui constitue une technique connue en soi. Les panneaux 10 comprennent chacun un renfort fibreux pré-imprégné par une résine thermoplastique. Le choix du matériau de renfort et de la résine est fonction de l'application envisagée. A titre d'exemple, le renfort fibreux comprend des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres d'aramide, ou un mélange de telles fibres. A titre d'exemple, la résine est une résine PAEK (polyaryléthercétone), PEEK (polyétheréthercétone), PEKK (polyéthercétonecétone), PES (polyethersulfone), PPS (poly(sulfure de phénylène)), ou PEI (polyétherimide). On utilise avantageusement la même résine dans les différents panneaux, ou à défaut des résines compatibles.
[0023] Les panneaux 10 s'étendent le long d'un axe X, correspondant à l'axe du cylindre obtenu après juxtaposition des panneaux, et présentent une forme incurvée en section transversale par rapport à l'axe X. Les panneaux 10 peuvent ou non avoir une forme allongée le long de l'axe X, selon la géométrie souhaitée pour la pièce. Les panneaux 10 définissent deux bords 10a, 10b qui sont, dans l'exemple illustré, destinés à être superposés avec un panneau voisin, comme il sera décrit dans la suite. Les bords 10a, 10b s'étendent le long de l'axe X, et peuvent être colinéaires à ce dernier comme illustré. La figure 1 illustre un exemple de structure possible pour les panneaux 10 qui sont drapés dans un outillage femelle, la personne du métier reconnaîtra que les panneaux peuvent en variante être drapés sur un outillage mâle sans sortir du cadre de la présente invention. La forme de drapage ne fait pas partie intégrante de l'outillage de moulage sous vide de sorte à permettre un fonctionnement en parallèle entre drapage et cuisson, et réduire ainsi le temps de cycle de fabrication.
[0024] Les panneaux 10 sont, dans l'exemple de la figure 1, munis de raidisseurs rectilignes 12 en composite thermoplastique. Chaque raidisseur 12 est formé d'un renfort fibreux imprégné par une résine thermoplastique identique, ou à défaut compatible, avec la ou les résines des panneaux 10. Ces raidisseurs 12 sont formés par des moyens conventionnels connus de la personne du métier, par exemple par drapage manuel ou automatisé, drapage dans un moule en forme ou estampage sous presse de plaques planes crues, réalisation de préformes sèches et injection de résine dans un moule par une technique de moulage par transfert de résine (« Resin Transfer Molding » ; « RTM »). Les raidisseurs 12 peuvent avoir une section quelconque, par exemple en Omega, en T, en J, entre autres formes possibles. Les raidisseurs 12 peuvent ou non présenter une variation locale de forme ou de section. Comme illustré, les raidisseurs 12 peuvent être présents sur au moins la majorité (plus de 50%), voire au moins 80%, de la dimension DX des panneaux mesurée selon l'axe X.
[0025] Les panneaux 10 illustrés sont également munis de secteurs de cadre 14 circonférentiels en composite thermoplastique qui constituent des éléments de raidissement. Chaque secteur 14 de cadre est formé d'un renfort fibreux imprégné par une résine thermoplastique identique, ou à défaut compatible, avec la ou les résines des panneaux 10 et des raidisseurs 12. Comme pour les raidisseurs 12, les secteurs de cadre 14 sont formés de manière connue en soi. Les secteurs de cadre 14 peuvent avoir une section quelconque, par exemple en Z, en C, en F, en T, en Omega ou en J. Chaque secteur de cadre peut présenter un soyage aux extrémités (de manière à s'assembler par recouvrement sur les autres secteurs de cadre afin de former le cadre complet), ou bien peut être droit (pour s'assembler aux autres secteurs de cadre via une pièce d'éclissage). Les secteurs 14 de cadre peuvent présenter des variations de forme au niveau des semelles qui seront en contact avec le panneau 10 (pour s'ajuster au mieux aux variations côté panneau 10). Les secteurs 14 de cadre peuvent présenter des échancrures traversées par les raidisseurs 12 et coopérant avec ces derniers. Ces échancrures peuvent avoir la même forme et sensiblement les mêmes dimensions que les raidisseurs 12 les traversant. Les secteurs 14 de cadre peuvent être assemblés aux raidisseurs 12 par une pièce d'interface mais l'on ne sort pas du cadre de l'invention si une telle pièce est omise. [0026] Les secteurs 14 de cadre et les raidisseurs 12 sont assemblés sur une surface interne du cylindre une fois les panneaux 10 juxtaposés. D'une manière générale, on notera que les panneaux 10 peuvent inclure des zones de surépaisseur formant des renforts locaux.
[0027] Les raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre sont assemblés sur les panneaux 10 par des techniques connues en soi, comme la soudure par point, l'agrafage, ou l'emploi de fixations rapportées. Cet assemblage a simplement pour but de positionner les raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre sur les panneaux 10, mais pas de produire une solidarisation robuste de ces derniers aux panneaux 10 laquelle est obtenue après la co-consolidation qui sera décrite plus bas.
[0028] Dans l'exemple illustré, les panneaux 10 présentent également une zone 19, située du côté du bord 10b et s'étendant sur toute la dimension DX, qui est dépourvue d'élément de raidissement (pas de raidisseur 12, ni secteur 14 de cadre). On notera également que, dans l'exemple illustré, les secteurs de cadre 14 dépassent du panneau 10 du côté opposé à la zone 19 (du côté du bord 10a), et forment une extension 15 des secteurs de cadre 14. La présence de la zone 19 ainsi que le prolongement des secteurs 14 de cadre sont la résultante de l'agencement envisagé pour la juxtaposition entre panneaux 10 voisins.
[0029] La figure 2 montre l'évolution de l'épaisseur elO des panneaux 10 selon l'axe Y perpendiculaire à l'axe X. Les panneaux 10 présentent une zone médiane 101 de leur largeur où l'épaisseur elO est sensiblement constante, et deux zones latérales 103a et 103b chacune situées du côté d'un bord 10a, 10b respectif qui présentent une épaisseur évolutive. La zone 101 est située entre les zones 103a, 103b. La zone 103a relie la zone 101 au bord 10a, et la zone 103b relie la zone 101 au bord 10b. Plus précisément, les zones 103a, 103b présentent un amincissement d'épaisseur en direction du bord associé 10a, 10b. L'épaisseur elO peut être strictement décroissante en direction du bord 10a, 10b.
L'épaisseur elO est minimale sur les bords 10a, 10b et maximale sur la zone médiane 101. Les panneaux 10 présentent un biseau sur leurs bords 10a, 10b. Les panneaux 10 ont, en section transversale par rapport à l'axe X, une forme effilée en direction de leurs bords 10a, 10b. Les zones 103a et 103b occupent conjointement au moins 5 %, par exemple au moins 50%, de la dimension DY du panneau 10. Sauf mention contraire, la dimension DY correspond à la longueur de l'arc de courbe reliant le bord 10a au bord 10b.
L'amincissement d'épaisseur conduit à une diminution de l'épaisseur elO d'au moins 50 %, par exemple d'au moins 90%. Cette diminution de l'épaisseur elO est par exemple comprise entre 50 % et 95 %, voire entre 90% et 95%. La figure 2A représente, de manière schématique, un amincissement de l'épaisseur du panneau 10 en direction d'un bord 10b lié à la présence d'une quantité décroissante de plis superposés PS en direction du bord 10b. L'angle a de biseau, correspondant à l'angle pris localement sur le bord 10b, peut avantageusement être inférieur ou égal à 1,5°, de sorte à améliorer davantage encore le lissage des efforts.
[0030] La suite s'attache à décrire, en lien avec les figures 3 à 7, la juxtaposition de ces panneaux 10 pour former le cylindre 100 sectorisé. Les raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre n'ont pas été représentés sur les figures 4 à 7.
[0031] La figure 3 illustre la juxtaposition de deux panneaux 10 voisins autour de l'axe X. Les deux panneaux 10 illustrés ont la même structure et les mêmes références sont conservées par rapport à ce qui vient d'être décrit. Les panneaux 10 se recouvrent ici partiellement. Les panneaux présentent un amincissement d'épaisseur sur leur zone de recouvrement ZR10, c'est-à-dire que la zone 103b du premier panneau 10 est recouverte par la zone 103a du deuxième panneau 10 voisin. Le bord 10b du premier panneau 10 est superposé avec le deuxième panneau 10 voisin, et le bord 10a du deuxième panneau 10 est superposé avec le premier panneau. Les raidisseurs 12 et secteurs de cadre 14 du deuxième panneau 10 recouvrent la zone 19 du premier panneau 10. L'extension 15 des secteurs de cadre 14 du deuxième panneau 10 se prolonge sur la zone 101 du premier panneau et se positionne de manière adjacente et dans le prolongement des secteurs de cadre 14 du premier panneau. L'extension 15 se prolonge au-delà de la zone ZR10 de recouvrement, qui correspond ici à la zone de jonction entre les panneaux 10. L'extension 15 est assemblée avec les secteurs de cadre 14 du premier panneau 10 par des techniques connues en soi, par exemple par recouvrement, soyage ou éclissage. Cet assemblage peut être réalisé en dehors de la zone ZR10. La figure 3A illustre un exemple d'un tel assemblage où une éclisse 14a, présente en dehors de la zone ZR10, raccorde les secteurs 14 de cadre des premier et deuxième panneaux 10. L'éclisse 14a peut également comprendre un matériau thermoplastique de sorte à assurer sa soudure aux secteurs 14 de cadre durant la coconsolidation.
[0032] L'agencement qui vient d'être décrit peut s'appliquer à chaque couple de panneaux voisins 10 juxtaposés pour former le cylindre sectorisé. D'une manière générale, les zones de recouvrement entre panneaux voisins peuvent occuper au moins 5 %, par exemple au moins 30 % du périmètre du cylindre sectorisé. Le fait d'avoir des zones de recouvrement étalées permet d'améliorer davantage encore les propriétés mécaniques de la pièce obtenue. En particulier lorsque tous les panneaux sont assemblés pour former le cylindre sectorisé, la réunion des secteurs de cadre 14 de chacun des panneaux définit une pluralité de cadres circonférentiels à 360°. [0033] Les figures 4 à 7 montrent différentes variantes de juxtaposition des panneaux 10 pour former le cylindre 100 sectorisé. Le cylindre 100 est un cylindre d'axe X avec des panneaux juxtaposés autour de cet axe. L'axe X correspond à l'axe de révolution du cylindre.
[0034] Dans la variante de la figure 4, le cylindre 100 est formé par tuilage de tous les panneaux 10, c'est-à-dire que chacun des panneaux présente un premier bord 10b recouvrant (au-dessus) un premier panneau voisin, et un deuxième bord 10a, opposé au premier bord 10b, recouvert (en-dessous) par un deuxième panneau voisin, opposé au premier panneau voisin. On note en particulier l'amincissement d'épaisseur des panneaux 10 voisins sur leur zone ZR10 de recouvrement en direction de leurs bords 10a, 10b.
[0035] Dans la variante de la figure 5, il y a un tuilage excepté pour le panneau 10 en bas à droite de la figure qui vient recouvrir ses deux panneaux voisins.
[0036] Les variantes des figures 6 et 7 montrent des cas où il n'y a pas de tuilage qui sont également couverts par la présente invention.
[0037] Le cas de panneaux 10 biseautés, présentant un amincissement d'épaisseur sur leur zone de recouvrement, vient d'être décrit. On notera que l'on ne sort pas du cadre de l'invention lorsque les panneaux ont des côtés droits, ou présentant un soyage (qui permettra de faire un assemblage par recouvrement).
[0038] La suite s'attache à décrire le positionnement dans l'outillage de moulage sous vide. Une cinématique possible pour le montage de l'outillage 30 de moulage sous vide et le positionnement de l'assemblage précurseur va, à présent, être détaillée en lien avec la figure 8. Sur cette figure, ainsi que sur les figures 9 et 10, les épaisseurs relatives ainsi que les espacements entre les différents éléments n'ont pas été rigoureusement respectés pour des raisons de lisibilité.
[0039] Une bâche à vide 34 est initialement placée sur une partie 32 de positionnement. La partie 32 est de conception beaucoup plus simple qu'une surface de moulage dans la mesure où elle est simplement utilisée pour le positionnement des éléments. Elle est, par conséquent, plus facilement démontable. La partie 32 est supportée par un arbre 36 qui s'étend le long de l'axe X qui correspond à l'axe X des panneaux 10 et du cylindre 100, qui a été décrit précédemment. La partie 32 peut avoir une structure aérée, par exemple en treillis, ou comporter une pluralité d'éléments de positionnement rétractables fixés à l'arbre. La partie 32 peut, comme illustré, avoir généralement la forme de la pièce à obtenir. La bâche 34 recouvre la partie 32. La bâche 34 peut être en matériau élastomérique, renforcé ou non, et constitue un élément connu en soi. [0040] On positionne ensuite des couronnes 40 de positionnement aux extrémités 361, 363 de l'arbre 36 qui définissent une surface 42 de positionnement cylindrique destinée à guider la partie 60 externe de moulage lors de son positionnement.
[0041] Les panneaux 10 sont ensuite positionnés et juxtaposés, de la manière décrite plus haut, de sorte à former le cylindre 100 précurseur de la pièce à obtenir. Le cylindre 100 est positionné autour de la partie 32 (et de la bâche 34). Dans l'exemple illustré, chaque panneau 10 porte une pluralité de secteurs 14 de cadre et une pluralité de raidisseurs 12. La partie 32 peut définir des logements, par exemple sous la forme de cavités débouchant en surface de la partie 32, dans lesquels les éléments de raidissement 12, 14 sont positionnés. Les éléments de raidissement 12, 14 peuvent être en appui sur une paroi définissant les cavités, ou sur un élément de positionnement présent dans celles-ci, pour aider à leur placement dans l'outillage 30.
[0042] Le cylindre 100 délimite un volume V interne de la pièce à obtenir. Le cylindre 100 est en matériau fibreux pré-imprégné thermoplastique. Les éléments de raidissement 12, 14 sont assemblés sur une surface interne SI du cylindre 100. Dans l'exemple illustré, les raidisseurs 12 portés par le cylindre 100 peuvent être régulièrement espacés le long d'une direction circonférentielle, autour de l'axe X. De manière similaire, les secteurs 14 de cadre portés par le cylindre 100 peuvent être régulièrement espacés le long de l'axe X. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque ces espacements ne sont pas réguliers, le positionnement des éléments de raidissement étant ajusté en fonction de la pièce et des sollicitations qu'elle subit en fonctionnement.
[0043] Dans l'exemple illustré, le cylindre 100 présente un diamètre supérieur à sa dimension selon l'axe X. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque l'invention est appliquée à la formation de pièces ayant une forme allongée le long de l'axe X, par exemple de longueur d'au moins dix mètres.
[0044] On positionne ensuite la partie 60 externe de moulage qui est à la forme de la pièce à obtenir et qui vient entourer le cylindre 100. Le cylindre 100 est situé à l'intérieur de la partie 60. La partie 60 est située autour du cylindre 100. Comme illustré, la partie 60 s'étend d'une couronne 40 à l'autre. Elle vient en regard de la surface 42. Une surface interne SI du cylindre 100 est située du côté de la bâche 34 (et délimite le volume V interne), et une surface externe S2 du cylindre 100 est située du côté de la partie 60. Dans l'exemple illustré, l'arbre 36, ainsi que l'outillage 30, sont orientés verticalement mais la personne du métier reconnaîtra que l'invention peut s'appliquer à un outillage 30 s'étendant horizontalement. Auquel cas, il peut s'avérer utile de munir la partie de moulage de raidisseurs sur sa face opposée à l'assemblage afin qu'elle conserve sa forme en particulier si la fabrication d'une pièce de longueur conséquente est envisagée.
[0045] Les joints d'étanchéité 52 entre la bâche 34 et la partie 60 sont ensuite réalisés. [0046] L'assemblage précurseur est ainsi positionné dans l'outillage 30 de moulage sous vide en vue de la formation de la pièce par co-consolidation. En particulier, le cylindre 100 est intercalé entre la bâche 34 et la partie 60 de moulage. La partie 32 est située à l'intérieur de l'assemblage précurseur, c'est-à-dire est située à l'intérieur du volume V interne de la pièce à obtenir. La partie 60 est située à l'extérieur de ce volume interne V et forme une partie externe à l'assemblage, destinée au moulage de la pièce.
[0047] Dans l'exemple illustré, les panneaux 10 sont juxtaposés autour de l'axe X avec recouvrement entre les panneaux voisins. Les panneaux 10 voisins peuvent être en contact sur leur zone ZR10 de recouvrement. Les raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre peuvent être en contact avec les panneaux 10, et donc avec la surface interne du cylindre 100. [0048] On procède à une mise sous vide de l'outillage 30 de sorte que la bâche 34 plaque les éléments de raidissement 12, 14 sur la surface interne SI du cylindre 100 et conforme l'assemblage à la forme souhaitée contre la partie 60. En particulier, le tirage de vide conduit à un appui des panneaux 10 sur leur zone ZR10 de recouvrement, ainsi qu'à l'application d'une pression sur les raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre qui sont plaqués sur la surface interne SI. Une pression est également appliquée sur d'éventuels éléments tiers d'assemblage, utiles pour raccorder les secteurs 14 de cadre de panneaux voisins 10, pour plaquer l'ensemble à raccorder sur la surface SI.
[0049] On procède ensuite à la cuisson, en maintenant le tirage de vide, qui conduit à une fusion ou un ramollissement de la ou des résines thermoplastiques en présence. La fluidification de la ou des résines favorise la conformation des éléments à souder et produit une interpénétration des chaînes polymères aux interfaces entre ces derniers. Ainsi lors de la cuisson :
- pour chaque couple de panneaux voisins, la résine d'un premier panneau pénètre dans un deuxième panneau voisin et la résine du deuxième panneau pénètre dans le premier panneau,
- la ou les résines des éléments de raidissement pénètrent dans le panneau sur lesquels ces éléments sont assemblés et la résine du panneau considéré pénètre dans ces éléments de raidissement, et
- la résine d'un premier ensemble de secteurs 14 de cadre pénètre dans un deuxième ensemble de secteurs 14 de cadre adjacent à ce premier ensemble. [0050] La cuisson peut être réalisée dans une enceinte chauffante, comme une étuve ou un autoclave. L'autoclave permettra d'apporter une pression additionnelle en plus du tirage de vide. En variante ou en combinaison, on peut mettre en œuvre un outillage de moulage muni d'éléments chauffants (non représentés) pour réaliser cette cuisson. La température imposée lors de la cuisson dépend de la ou des résine(s) utilisée(s) et peut par exemple être supérieure ou égale à 300°C, par exemple comprise entre 300°C et 400°C.
[0051] Après la cuisson, un refroidissement est opéré pour figer la structure (en particulier pour solidifier la ou les résines thermoplastiques en présence) et obtenir la pièce 1000 (figure 10). D'une manière générale, le tirage de vide peut être maintenu lors de ce refroidissement. Le refroidissement permet d'obtenir une jonction soudée entre les différents éléments de la pièce du fait de l'interpénétration des chaînes polymères de la ou des résines en présence précédemment réalisée lors de la cuisson. La pièce 1000 est tubulaire de forme cylindrique, et forme une virole raidie. Elle constitue une structure intégrée avec assemblage par co-consolidation de tous les éléments constitutifs de la structure. En particulier, il y a soudage par co-consolidation des panneaux 10 entre eux pour former la virole, soudage par co-consolidation des raidisseurs 12 et secteurs 14 de cadre sur la surface interne de la pièce 1000, et soudage par co-consolidation des secteurs 14 de cadre entre eux (par recouvrement ou éclissage par exemple).
[0052] On peut utiliser un outillage 30 en matériau composite pour diminuer le phénomène de dilatation différentielle entre l'outillage 30 et la pièce 1000. En variante, l'outillage 30 peut être métallique, par exemple en Invar, ou en acier. Dans ce dernier cas, il pourra être avantageux de minimiser les contraintes lors du refroidissement en prévoyant un entrebâillement de la partie 60.
[0053] On procède ensuite au démontage de l'outillage 30 lequel est facilité par le positionnement de la partie 60 de moulage à l'extérieur de la pièce 1000 obtenue, et par la conception simplifiée de la partie interne 32.
[0054] La pièce 1000 obtenue peut être intégrée dans un lanceur spatial, par exemple en tant que virole inter-étages ou inter-réservoirs, ou encore former un réservoir après avoir rapporté des éléments de fonds. Le domaine de l'invention n'est toutefois pas limité à une pièce pour une intégration dans un lanceur aérospatial et la pièce peut en variante trouver une application dans le domaine aéronautique ou, plus généralement, dans toute application nécessitant une virole raidie.
[0055] L'expression « comprise entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'une pièce (1000) en matériau composite thermoplastique raidie ayant une forme cylindrique, le procédé comprenant :
- le positionnement d'un assemblage précurseur de la pièce à fabriquer dans un outillage (30) de moulage sous vide, l'assemblage étant en matériau fibreux pré-imprégné thermoplastique et comprenant (i) un cylindre (100) sectorisé formé par des panneaux (10) juxtaposés autour d'un axe (X) du cylindre, et (ii) des éléments (12 ; 14) de raidissement assemblés sur chacun des panneaux et présents sur une surface interne (SI) du cylindre, l'outillage comprenant une partie interne (32) revêtue d'une bâche (34) à vide, située en regard de la surface interne du cylindre et des éléments de raidissement, sur laquelle l'assemblage est positionné, et une partie externe (60) de moulage de forme cylindrique, située en regard d'une surface externe (S2) du cylindre, et
- la conformation de l'assemblage sur la partie externe de moulage et la formation de la pièce par co-consolidation des éléments de raidissement et du cylindre, comprenant : o la cuisson de l'assemblage durant laquelle un vide est tiré dans l'outillage de moulage de sorte que la bâche à vide applique une pression pour plaquer les éléments de raidissement sur la surface interne du cylindre et conformer l'assemblage sur la partie externe de moulage, et durant laquelle la ou les résines thermoplastiques présentes dans l'assemblage sont fondues ou ramollies, et o le refroidissement de l'assemblage, après ladite cuisson, durant lequel la température est diminuée pour figer en forme l'assemblage ainsi conformé et obtenir la pièce en matériau composite à laquelle les éléments de raidissement sont solidarisés.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1, dans lequel le cylindre (100) sectorisé est formé par les panneaux (10) juxtaposés autour de l'axe (X) du cylindre avec recouvrement entre les panneaux voisins.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, dans lequel les panneaux (10) voisins présentent un amincissement d'épaisseur sur leur zone (ZR10) de recouvrement en direction de leurs bords (10a ; 10b).
[Revendication 4] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque panneau (10) comprend une pluralité de secteurs (14) de cadre circonférentiels s'étendant au-delà dudit panneau de sorte à former une extension (15), ladite extension étant assemblée avec les secteurs de cadre d'un panneau voisin en dehors d'une zone de jonction (ZR10) entre ces deux panneaux. [Revendication 5] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le procédé comprend en outre, avant le positionnement de l'assemblage précurseur dans l'outillage (30) de moulage, la formation des panneaux (10) par placement automatique de fibre, les panneaux étant drapés sur une forme distincte de la partie interne de positionnement. [Revendication 6] Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les panneaux (10) et éléments (12 ; 14) de raidissement comprennent des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres d'aramide, ou un mélange de telles fibres.
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