FR2839985A1 - Procede et installation pour la fabrication de preformes fibreuses annulaires - Google Patents

Procede et installation pour la fabrication de preformes fibreuses annulaires Download PDF

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Abstract

Des fibres libres (10) sont déposées sur un plateau de support rotatif (30) au moyen d'un cône de dépôt creux (40) comprenant une paroi extérieure entourant une chambre et percée de multiples perforations. Les fibres sont amenées à la surface externe de la paroi perforée du cône (40) dans une zone d'alimentation du cône éloignée de la zone de dépôt sur le plateau (30), puis sont maintenues par établissement d'une dépression dans la chambre, produisant une aspiration à travers les perforations de la paroi du cône, pour être transportées par rotation du cône de la zone d'alimentation du cône à la zone de dépôt sur le plateau, et le maintien des fibres sur le cône est supprimé dans la zone de dépôt par interruption localisée de l'aspiration à travers les perforations de la paroi du cône au moins au niveau de cette zone, de sorte que les fibres transportées se déposent sur le plateau entraîné en rotation autour de son axe simultanément avec le cône. Les fibres déposées sur le plateau rotatif (30) peuvent être compactées et aiguilletées.

Description

finale de la solution aqueuse de FeCI3 est d'environ au moins 40% en
poids.
Arriere-plan de ['invention L'invention concerne la fabrication de preformes fibreuses annulaires, notamment de preformes poreuses destinees a constituer le renfort de pieces annulaires en materiau composite obtenues par
densification des preformes par une matrice.
Un domaine particulier d'application de ['invention est la realisation de preformes fibreuses pour des pieces de friction annulaires en materiau composite telles que des disques d'embrayage ou des disques de frein en materiau composite thermostructural. De tels disques comprennent un renfort fibreux, generalement en fibres de carbone,
densifie par une matrice carbone et/ou ceramique.
Un procede couramment utilise pour realiser un renfort fibreux pour disque en materiau composite, notamment pour disque de frein en materiau composite carbone/carbone (C/C), consiste a realiser une preforme annulaire par empilement de strafes d'une texture fibreuse
bidimensionnelle.
Des textures fibreuses bidimensionnelles utilisables vent des tissue, des nappes de fibres unidirectionnelles, des nappes multidirectionnelles constituees de plusieurs nappes unidirectionnelles superposees dans des directions differentes et liees entre elles, par exemple par aiguilletage, des couches de feutre ou des textures complexes comprenant une strafe formee par un tissu ou une nappe sur laquelle une couche de feutre ou de fibres libres a ete fixee, par exemple
par aiguilletage.
Les strafes peuvent etre superposees a plat, tout en etant liees entre elles par aiguilletage, afin de constituer une plaque dans laquelle des preformes annulaires vent decoupees, comme decrit par exemple dans les brevets US 4 790 052 et US 5 792 715. Ce procede est utilise de fason courante et satisfaisante pour realiser des preformes de disques de freins en materiau composite C/C, mais entrane une chute de matiere
importante lors de la decoupe des preformes.
Un autre procede connu, decrit dans le document EP O 424 988, consiste a decouper des secteurs d'anneau dans des strafes bidimensionnelles et a former une preforme annulaire par superposition et aiguilletage d'anneaux formes par juxtaposition de secteurs. Ce procede permet de reduire les chutes de matiere, mais sans toutefois les eliminer
et au prix d'une realisation plus delicate des preformes.
Afin d'eviter les chutes de matiere, il a ete propose de realiser des preformes fibreuses annulaires par enroulement de tresses deformees ou de tissu helicodal en formant des spires superposees a plat, lesquelles spires vent liees entre elles par aiguilletage. On pourra se referer aux brevets US 5 662 855 et US 6 009 605. Ces procedes requierent l'utilisation de textures fibreuses particulieres - tresses deformables et
tissue helicodaux - couteuses 3 realiser.
Objets et resume de ['invention L'invention a pour objet de fournir un procede permettant de fabriquer des preformes fibreuses annulaires de fason particulierement
simple et economique.
Ce but est atteint grace a un procede selon lequel des fibres libres vent deposees sur un plateau de support rotatif au moyen d'un cane de dep8t creux comprenant une paroi exterieure de forme conique entourant une chambre et percee de multiples perforations, le cane etant dispose audessus du plateau avec une generatrice s'etendant au voisinage de la surface superieure du plateau et sensiblement parallelement a celui-ci, dans une zone de depot des fibres sur le plateau, les fibres etant deposees sur le plateau par un processus comprenant les etapes qui consistent a: - amener des fibres a la surface externe de la paroi perforce du cBne dans une zone d'alimentation du c8ne eloignee de la zone de dep8t sur le plateau, - maintenir les fibres sur la surface externe de la paroi perforce du c8ne pa r eta bl issement d' u ne depression dans la cham bre, - transporter les fibres de la zone d'alimentation du codne a la zone de depOt sur le plateau par rotation du c8ne autour de son axe, et supprimer le maintien des fibres sur le cone dans la zone de depOt par interruption localisee de laspiration a travers les perforations de la paroi du c8ne au moins au niveau de cette zone, de sorte que les fibres transportees se deposent sur le plateau entrane en rotation autour de son
axe simultanement avec le cOne.
Avantageusement, les fibres vent amenees a la surface externe de la paroi perforce du c8ne sur une partie de cette surface qui s'etend entre deux generatrices du cOne, sur une longueur, mesuree le long d'une generatrice, sensiblement egale a la largeur de la preforme annulaire a realiser. Les plans meridiens passant par lesdites deux generatrices
forment entre eux un angle de preference compris entre 10 et 40 .
De preference, les fibres vent amenees a la surface externe de
la paroi perforce du c8ne par passage dans un canal d'alimentation.
De preference encore, les fibres vent comprimees apres dep8t
sur le plateau.
Les fibres peuvent etre deposees sur le plateau en plusieurs couches superposees. Dans ce cas, de preference, I'on accro^'t progressivement la distance entre le plateau et le c8ne au fur et a mesure
du dep8t de couches successives de fibres.
Avantageusement, les fibres deposees sur le plateau vent liees entre elles pour constituer une preforme fibreuse manipulable. La liaison
des fibres entre elles peut etre realisee par aiguilletage.
L'invention a aussi pour objet de fournir une installation
permettant de mettre en oeuvre le procede defini ci-dessus.
Ce but est atteint grace 3 une installation comprenant: - un plateau de support rotatif; - un cone d'alimentation rotatif autour de son axe, ayant une paroi exterieure de forme conique entourant une chambre et percee de multiples perforations, le cOne etant dispose au-dessus du plateau avec une generatrice s'etendant au voisinage de la surface exterieure du plateau et sensiblement parallelement a celui-ci, dans une zone de dep8t des fibres sur le plateau; - des moyens d'amenee de fibres debouchant a proximite de la surface externe de la paroi perforce du c8ne, dans une zone d'alimentation du cane eloignee de la zone de depot sur le plateau; des moyens pour etablir une depression dans la chambre du c8ne pour realiser une aspiration a travers les perforations de la paroi du cOne; et - un dispositif d'interruption localisee d'aspiration interpose entre les moyens d'etablissement de la depression dans la chambre et les perforations d'au moi ns la partie de pa roi du c8ne situee da ns la zone de
dep8t des fibres sur le plateau.
Les moyens d'amenee de fibres peuvent etre formes par un canal d'alimentation en fibres qui s'etend entre un dispositif briseur et la zone d'alimentation du c8ne. Au moins dans sa partie adjacente au coGne, le canal d'alimentation presente avantageusement une se*ion trapezodale. Avantageusement, au moins un rouleau conique de compression est dispose au-dessus du plateau support, en aval de la zone de dep8t des
fibres sur le plateau.
Avantageusement encore, un dispositif d'aiguilletage est dispose audessus du plateau support, en aval de la zone de dep8t des fibres sur
le plateau.
La distance entre le plateau support et le cone d'alimentation
peut etre variable.
Breve description des dessins
L'invention sera mieux comprise 3 la le*ure de la description
faite ci-apres, a titre indicatif. mais non limitatif, en reference aux dessins annexes sur lesquels: - la figure montre les etapes successives d'un mode de mise en oeuvre d'un procede conforme a ['invention; - la figure 2 est une vue tres schematique en perspective d'un mode de realisation d'une installation conforme a ['invention; - la figure 3 est une vue partielle en elevation laterale de ['installation de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale montrant, a echelle agrandie, le cOne d'alimentation de 1'installation des figures 2 et 3; et - la figure 5 est une vue en coupe selon le plan V-V de la
figure 3.
Description detaillee d'un mode de realisation de ['invention
Un mode de realisation de ['invention sera decrit ci-apres dans le cadre de ['application a la realisation de preformes fibreuses annulaires en fibres de carbone ou de precurseur de carbone pour la realisation de disques de friction, notamment de disques de freins en composite
carbone/carbone (C/C).
L'invention n'est toutefois pas limitee a cette application et peut
etre utilisee pour la realisation de toutes textures fibreuses annulaires.
Les fibres destinees a ia realisation d'une preforme vent des fibres discontinues se presentant par exemple sous forme de bourre ou de feutre (etape du procede sur la figure i). Les fibres vent en carbone ou en precurseur de carbone, par exemple en polyacrylonitrile (PAN) , preoxyde. Comme montre par la figure 2, les feutres ou bourres 10 vent deposes en couche sur un convoyeur 12 qui les amene a un dispositif briseur 20. Comme connu en soi, le dispositif briseur 20 comprend deux rouleaux briseurs metalliques 22, 24 disposes parallelement 1'un a 1'autre et au voisinage immediat l'un de l'autre. Les rouleaux 22, 24 vent entranes en rotation en sens opposes a vitesse relativement elevee (plusieurs milkers de tours/minute). Gr3ce aux multiples reliefs en forme de pointes ou griffes formes 3 leur surface peripherique, les rouleaux 22, 24 realisent une dissociation des fibres des feutres ou bourres qui vent amenes par le convoyeur 10 au-dessus de 1'intervalle entre les rouleaux (etape 2 du procede). En sortie du dispositif briseur, c'est-a-dire en dessous de 1'intervalle entre les rouleaux 22, 24, les fibres dissociees se presentent sous forme de fibres libres. Celles-ci vent projetees hors du dispositif briseur gr3ce a 1'energie cinetique conferee par contact avec les
rouleaux et par l'air entrane par les rouleaux.
Les fibres dissociees penetrent dans un canal 30 qui s'etend entre la sortie du dispositif briseur 20 et la surface externe de la paroi d'un cone rotatif 40 (etape 3 du procede). Le canal 30 (figures 2, 3 et 5) se termine par une partie 32 en forme de buse qui peut etre realisee en une seule piece avec le reste du canal ou etre formee par une piece separee reliee au reste du canal. La buse 32 est a section sensiblement trapezodale et se termine par une ouverture 34 delimitant une zone
d'alimentation du cone 40 en fibres.
Le cOne 40 est creux et sa paroi peripherique 42 est munie d'une multitude de perforations 44 au moins dans une partie tronconique 42_ s'etendant entre deux plans transversaux. La buse 32 debouche par l'ouverture 34 a proximite de la partie tronconique perforce 42a, la zone d'alimentation du c8ne en fibres etant delimitee par la forme de l'ouverture 34 et s'etendant entre deux generatrices du cane et entre deux plans transversaux sur une distance L mesuree le long d'une generatrice
du cOne.
Le cOne 40, qui est decrit plus loin en detail en reference aux figures 4 et 5, a une chambre interne 46 entouree par la paroi tronconique 42a. Par depression etablie dans la chambre 46, les fibres amenees dans la zone d'alimentation du c8ne vent plaquees sur la surface exterieure de la partie tronconique 42_. Le cOne 40 est entrane en rotation autour de son axe, de sorte que les fibres maintenues par aspiration a sa surface vent transportees jusqu'a une zone de depOt sur un plateau de support 70
en forme de disque ou de couronne (etape 4 du procede).
Le plateau 70 est entrane en rotation autour de son axe vertical 72 relic a un moteur d'entranement (non represente). Le c8ne 40 a une generatrice horizontale qui s'etend au-dessus et a proximite de la surface superieure du plateau 70. Le maintien des fibres sur le c8ne 40 par depression est interrompu dans la zone de depOt, de sorte que les fibres transportees par le c8ne 40 se deposent sur la couronne 70 (etape 5 du procede). Apres dep8t sur la couronne, les fibres 10 (montrees en partie sur la figure 3) vent compactees au moyen d'au moins un cOne 88 exersant un effort de compression (etape 6 du procede). Le cOne 88 peut etre monte libre en rotation autour de son axe et exercer un effort de compaction d es fi bres par reg lage de sa distance entre sa generatrice horizontale inferieure et la surface superieure du plateau 70. Les fibres compactees vent liees entre elles et avec des fibres precedemment deposees sur le plateau. Dans le mode de realisation illustre, cette liaison est realisee par aiguilletage dans un posse d'aiguilletage 80 situe en aval du ou des cOnes de compactage, dans le sens de rotation du plateau
(etape 7 du procede).
De fason connue en soi, le posse d'aiguilletage 80 comprend une tete d'aiguilletage 82 munie d'une pluralite d'aiguilles 84 s'etendant uniformement au moins sur toute la largeur de la preforme. Un systeme d'entranement 86 de type bielle-manivelle confere a la tete d'aiguilletage
un mouvement vertical alternatif.
Les rouleaux briseurs 22, 24 vent alimentes en fibres F de fason continue, tandis que le cone 40 et le plateau 70 vent entranes en rotation de fason continue. Ainsi, une preforme fibreuse 74 (montree uniquement sur la figure 3) peut etre progressivement realisee sur le plateau 70 par depat de fibres libres en plusieurs couches superposees et liaison des
fibres entre elles par aiguilletage.
Le debit d'alimentation de rouleaux briseurs et les vitesses de rotation du cone 40 et du plateau 70 determinant 1'epaisseur des couches
successives de fibres libres deposees sur le plateau.
Avantageusement, la distance entre le plateau 70 et la generatrice horizontale inferieure du c6ne 40 est progressivement augmentee au fur et a mesure du depot de couches successives de fibres, pour que cette generatrice se situe au niveau ou legerement au-dessus de la face superieure du plateau 70 (au debut du processus) puis ensuite au niveau ou legerement au-dessus de la surface superieure de la preforme en cours de realisation. A cet effet, le plateau 70 et ses moyens d'entranement en rotation vent mobiles verticalement (fleche F sur la
figure 3).
De fason connue en soi, le plateau support 70 peut etre revetu d'une couche 76 formant feutre d'embase, par exemple en fibres de polypropylene, dans lequel les aiguilles peuvent penetrer sans etre endommagees lors de 1'aiguilletage de premieres couches de fibres libres deposees sur le plateau 70. Un film 78, par exemple en polyethylene, peut etre dispose audessus du feutre d'embase 76 pour eviter une liaison trop forte entre la texture fibreuse annulaire et le feutre d'embase sous l'effet de l'aiguilletage. Un dispositif permettant de realiser un aiguilletage annulaire d'une texture fibreuse obtenue par depOt de fibres en couches superposee sur un plateau support rotatif avec deplacement progressif du plateau par rapport a la tete d'aiguilletage est decrit dans le document
FR 2 626 294.
La distance L au niveau de la zone d'alimentation du cone 40 est choisie pour correspondre a la largeur de la preforme annulaire a realiser. La delimitation de la zone d'alimentation du cone 40 entre deux generatrices, ou plans meridiens du c8ne, confere a celle-ci une forme correspondent a un secteur d'anneau. Les deux plans meridiens font entre eux un angle de preference compris entre 10 et 40 . Gr3ce a sa section trapezodale, la buse 32 permet de realiser un dep8t d'epaisseur constante sur toute la largeur de la zone de dep8t sur le plateau support 70. Les fibres issues des rouleaux briseurs 22, 24 eta nt projetees de fason sensiblement homogene dans toute la section de la buse 30, la densite des fibres deposees sur le plateau 70 est sensiblement uniforme. Le compactage et l'aiguilletage des fibres contribuent a conferer a cette densite, c'est-adire au taux volume de fibres de la preforme, une valeur souhaitee. On obtient ainsi directement une preforme fibreuse annulaire manipulable sans chute de matiere par decoupe. Cette preforme peut etre ensuite densifiee par une matrice carbone, de fason bien connue, pour
obtenir un disque de frein en composite C/C.
Les figures 4 et 5 montrent de fason plus detaillee le c8ne 40.
La paroi externe 42 du c8ne comprend une partie 42b solidaire d'une bague 48 et la partie 42_ munie des perforations 44, la partie 42 etant situee par exemple du c8te de l'extremite 40a du c8ne de plus petit diametre. La bague 48 a une surface exterieure tronconique en contact avec la surface interne de la partie 42b de la paroi 42 et forme un palier de montage du cone 40 sur un axe 50 non rotatif. Des roulements 52, 54 vent interposes entre la bague 48 et l'axe 50 tandis que la bague 48 est solidaire d'une poulie 56 sur laquelle passe une courroie 58 reliee a un moteur (non represente) d'entranement du c8ne 40 en rotation autour de
son axe.
L'espace entre la bague 48 et l'extremite 40a fermee du c8ne 40 forme la chambre 46. Celle-ci communique avec un dispositif d'aspiration (non represente) a travers un passage axial 50a de l'axe 50. Des joints d'etancheite tels que 60, 62 vent interposes entre, d'une part, l'axe 50 et,
d'autre part, la bague 48 et la poulie 52.
L'axe 50 presente une extremite 50b qui fait saillie dans la chambre 46 et sur laquelle est fixe un ecran fixe 64 (montre sur la figure 5). L'ecran 64 comporte une paroi pleine 66 en forme de secteur de c8ne qui s'etend a proximite immediate de la surface interne de la partie perforce 42a de la pa roi 42. La pa roi 66 i nterrom pt l 'effet d'aspi ration ou de depression a travers les perforations 44 qui viennent en regard de la paroi 66 lors de la rotation du cone 40, ce qui libere par gravite les fibres retenues par aspiration pendant leur transport sur le c8ne. L'ecran 62 est monte de maniere 3 liberer les fibres pour qu'elles se deposent sur le plateau 70 dans la zone de dep8t. Comme le montre la figure 5, la paroi 66 s'etend entre deux plans meridiens 66a, 66b. Le plan 66_ situe en amont (dans le sens de rotation du c8ne 40) se situe au niveau, voire legerement en amont du plan meridien P contenant la generatrice horizontale inferieure du c8ne 40. Le plan 66b se situe en aval du plan P. sa position pouvant meme aller jusqu'a ['entree de la zone d'alimentation du cone en fibres de sorte que la surface du cone ne soit pas encombree de fibres lorsqu'elle entre dans la zone d'alimentation du c8ne en fibres. Ainsi, ['angle entre les plans 66a et 66b peut atteindre 180 , tout en pouvant prendre une valeur
inferieure.
L'ecran 66 est solidaire d'un bras 68 fixe sur 1'extremite 50a de
l'axe 50.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1. Procede pour la fabrication d'une preforme fibreuse annulaire, caracterise en ce que des fibres libres vent deposees sur un plateau de support rotatif au moyen d'un c8ne de dep8t creux comprenant une paroi exterieure de forme conique entourant une chambre et percee de multiples perforations, le cOne etant dispose au-dessus du plateau avec une generatrice s'etendant au voisinage de la surface superieure du plateau et sensiblement parallelement a celui-ci, dans une zone de depat des fibres sur le plateau, les fibres etant deposees sur le plateau par un processus comprenant les etapes qui consistent a: - amener des fibres a la surface externe de la paroi perforce du cane dans une zone d'alimentation du cane eloignee de la zone de depat sur le plateau, - maintenir les fibres sur la surface externe de la paroi perforce du cane par etablissement d'une depression dans la chambre, produisant une aspiration a travers les perforations de la paroi du cane, - transporter les fibres de la zone d'alimentation du cane a la zone de depat sur le plateau par rotation du cOne autour de son axe, et - supprimer le maintien des fibres sur le cOne dans la zone de depOt par interruption localisee de ['aspiration a travers les perforations de la paroi du cane au moins au niveau de cette zone, de sorte que les fibres transportees se deposent sur le plateau entrane en rotation autour de son
axe simultanement avec le cane.
2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que les fibres vent amenees a la surface externe de la paroi perforce du cane sur une partie de cette surface qui s'etend entre deux generatrices du cane, sur une longueur, mesuree le long d'une generatrice, sensiblement egale a
la largeur de la preforme annulaire a realiser.
3. Procede selon la revendication 2, caracterise en ce que les plans meridiens passant par lesdites deux generatrices forment entre eux
un angle de preference compris entre 10 et 40 .
4. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 3 3,
caracterise en ce que les fibres vent amenees a la surface externe de la
paroi perforce du cone par passage dans un canal d'alimentation.
5. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 4,
caracterise en ce que les fibres vent comprimees apres dep8t sur le plateau.
6. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 5,
caracterise en ce que les fibres vent deposees sur le plateau en plusieurs
couches superposees.
7. Procede selon la revendication 6, caracterise en ce que l'on accro^t progressivement la distance entre le plateau et le cOne au fur et a
mesure du depOt de couches successives de fibres.
8. Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 7,
caracterise en ce que les fibres deposees sur le plateau vent liees entre
elles pour constituer une preforme fibreuse manipulable.
9. Procede selon la revendication 8, caracterise en ce que la
liaison des fibres entre elles est realisee par aiguilletage.
10. Installation pour la fabrication d'une preforme fibreuse annulaire comprenant un plateau de support rotatif (30) et des moyens d'amenee de fibres (10) sur le plateau, caracterisee en ce qu'elle comporte: - un cOne d'alimentation (40) rotatif autour de son axe, ayant une paroi exterieure de forme conique entourant une chambre (46) et percee de multiples perforations (44), le cOne etant dispose au-dessus du plateau avec une generatrice s'etendant au voisinage de la surface exterieure du plateau et sensiblement parallelement a celui-ci, dans une zone de depOt des fibres sur le plateau; - des moyens (30, 32) d'amenee de fibres debouchant a proximite de la surface externe de la paroi perforce du c8ne, dans une zone d'alimentation du cone eloignee de la zone de depOt sur le plateau; des moyens pour etablir une depression dans la chambre du cOne pour realiser une aspiration a travers les perforations de la paroi du cOne; et - un dispositif (66) d'interruption localisee d'aspiration interpose entre les moyens d'etablissement de la depression dans la chambre et les perforations d'au moins la partie de paroi du c8ne situee dans la zone de
depot des fibres sur le plateau.
11. Installation selon la revendication 10, caracterisee en ce qu'elle comporte en outre un dispositif briseur (20) apte a fournir des fibres libres et un canal (30, 32) d'alimentation en fibres qui s'etend entre
le dispositif briseur et la zone d'alimentation du cOne.
12. Installation selon la revendication 11, caracterisee en ce que le canal d'alimentation, au moins dans sa partie (32) adjacente au c8ne (40), presente une section trapezoldale.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 a
12, caracterisee en ce que au moins un rouleau conique (88) de compression est dispose au-dessus du plateau support (30), en aval de la
zone de depOt des fibres sur le plateau.
14. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 a
13, caracterisee en ce qu'un dispositif d'aiguilletage (80) est dispose au dessus du plateau support (30), en aval de la zone de dep8t des fibres sur
le plateau.
15. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 a
14, caracterisee en ce que la distance entre le plateau support et le c8ne
d'alimentation est variable.
16. Installation selon l'une quelconque des revendications 10 a
, caracterisee en ce que le dispositif d'interruption localisee d'aspiration comporte un ecran fixe (66) stetendant le long et a proximite d'une partie
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