FR2942165A1

FR2942165A1 - Procede de fabrication d'un panneau raidi en materiau composite

Info

Publication number: FR2942165A1
Application number: FR0950973A
Authority: FR
Inventors: Philippe Blot; Dominique Guittard
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-08-20
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: FR2942165B1; WO2010092309A1

Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de réalisation d'un panneau raidi comprenant d'une part un panneau (12) formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts s'étendant selon une direction dite longitudinale dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs (16) comprenant chacun une zone de contact avec le panneau (12) à raidir, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une polymérisation partielle des raidisseurs (16) ou des plaques à déformer pour former des raidisseurs à l'état mi-cuit, à déposer sur les zones de contact des raidisseurs au moins un pli de renforts fibreux de manière à former le panneau (12) et à effectuer une polymérisation de l'ensemble constitué du panneau (12) et des raidisseurs (16) en le soumettant à un cycle de pression et de température de manière à obtenir un panneau raidi.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN PANNEAU RAIDI EN MATERIAU COMPOSITE

La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un panneau raidi en matériau composite. Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, un panneau raidi 10 comprend d'une part un panneau 12 formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts 14 s'étendant selon au moins une direction dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs 16 avec une section en U dont la base 18 est plaquée contre le panneau 12 et dont les ailes 20 sont accolées les unes aux autres de manière à ce que deux ailes accolées forment un renfort 14. De préférence, comme illustré sur la figure 1, une structure d'interfaçage appelée clou 22 est intercalée entre les deux ailes 20 accolées de deux raidisseurs adjacents. En complément, un cordon de résine de remplissage appelé tête de clou 24 est disposé au niveau de la zone de jonction du clou 22 et du panneau 12.

A titre indicatif, les raidisseurs ont une largeur de l'ordre de quelques centimètres pour une longueur de l'ordre de 3 à 4 m. Selon un procédé de réalisation décrit dans le document FR-2.863.197 ou US-2005/166501, des plis de renforts fibreux en carbone pré-imprégnés sont mis en place sur des poinçons individuels 26 avec une section en U de manière à former les raidisseurs 16, comme illustré sur les figures 2A et 2B. A cet effet, les plis sont chauffés avec un rayonnement infra-rouge pour assouplir les renforts fibreux pré-imprégnés afin de pouvoir les déformer. Cette phase de chauffage est opérée à faible température et sans pression. En parallèle ou en suivant, on réalise des demi-clous qui sont rapportés au niveau des surfaces extérieures des ailes 20 des raidisseurs 16.

En suivant ou en parallèle, on drape sur un moule 28, dont la surface correspond à la face du panneau sans renfort, des plis pour constituer la peau. Les raidisseurs 16 non polymérisés (crus) sont retournés puis disposés les uns contre les autres sur les plis formant la peau, une tête de clou étant intercalée entre deux raidisseurs adjacents.

Les poinçons 26 sont alors retirés de manière à permettre la mise en place d'un sac à vide 30 sur l'ensemble constitué des raidisseurs 16 et de la peau du panneau 12 comme illustré sur la figure 3. Des conformateurs 32, généralement souples, sont disposés entre les ailes 20 des raidisseurs pour les stabiliser. Après cette mise en place, on opère la polymérisation en exerçant une pression sur l'ensemble par l'intermédiaire du sac à vide 30 et en portant l'ensemble à la température de polymérisation de la résine. Ce procédé permet d'obtenir au niveau de la surface extérieure du panneau en contact avec le moule 28 de bonnes caractéristiques dimensionnelles conformes aux tolérances dimensionnelles, inférieures ou égales à 0,5 mm.

Toutefois, il ne permet pas d'obtenir au niveau de la surface comportant les renforts une précision géométrique satisfaisante en raison notamment du défoisonnement du matériau pendant le cycle de polymérisation conduisant à une diminution de l'épaisseur de l'ordre de 10 à 20% sous l'action de la pression produite par le sac à vide.

Compte tenu de ce manque de précision dimensionnelle, il est nécessaire de prévoir un interfaçage entre le panneau raidi ainsi obtenu et les pièces auxquelles il est relié, par exemple en interposant une résine de calage entre les pièces à assembler.

L'interposition d'une résine de calage est une opération supplémentaire longue et coûteuse comportant les étapes suivantes. Il faut dans un premier temps assembler les pièces et interposer la résine de calage à l'état pâteux.

En suivant, il convient de séparer les pièces pour mesurer l'épaisseur de la couche de résine de calage qui ne doit pas excéder 0,7mm sinon il convient d'interposer une cale rigide. Après le durcissement de la résine de calage qui peut prendre plusieurs heures, le panneau raidi et la pièce sont assemblés.

Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de réalisation d'un panneau raidi permettant d'obtenir une précision dimensionnelle satisfaisante au niveau de la face du panneau comportant les renforts. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un panneau raidi comprenant d'une part un panneau formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts s'étendant selon une direction dite longitudinale dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs comprenant chacun une zone de contact avec le panneau à raidir, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une polymérisation partielle des raidisseurs ou des plaques à déformer pour former des raidisseurs à l'état mi-cuit, à déposer sur les zones de contact des raidisseurs au moins un pli de renforts fibreux de manière à former le panneau et à effectuer une polymérisation de l'ensemble constitué du panneau et des raidisseurs en le soumettant à un cycle de pression et de température de manière à obtenir un panneau raidi. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe illustrant un panneau raidi selon un mode de réalisation, - les figures 2A et 2B sont des coupes illustrant la mise en forme d'un raidisseur selon l'art antérieur, - la figure 3 est un schéma illustrant la mise en place d'un outillage pour la réalisation d'un panneau raidi selon l'art antérieur préalablement à la polymérisation, - la figure 4 est un schéma illustrant un mode de réalisation d'un panneau raidi selon l'invention lors de la polymérisation, - les figures 5A à 5I sont des schémas illustrant un premier mode opératoire pour la réalisation d'un panneau raidi selon l'invention, et - les figures 6A et 6H sont des schémas illustrant un autre mode opératoire pour la réalisation d'un panneau raidi selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un mode de réalisation d'un panneau raidi 10 comprenant d'une part un panneau 12 formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts 14 s'étendant selon une direction dite longitudinale dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs 16 avec une section en U, dont la base 18 est plaquée contre le panneau 12 et dont les ailes 20 sont accolées les unes aux autres de manière à ce que deux ailes accolées forment un renfort 14. A titre indicatif, les raidisseurs 16 ont une longueur de l'ordre de 3 à 4 m pour une largeur de l'ordre de quelques centimètres. De préférence, comme illustré sur la figure 1, une structure d'interfaçage appelée clou 22 est intercalée entre les deux ailes 20 accolées de deux raidisseurs adjacents. En complément, un cordon de résine de remplissage appelé tête de clou 24 est disposé au niveau de la zone de jonction du clou 22 et du panneau 12.

Les modes de réalisation des clous 22 et des têtes de clous 24 ne sont pas plus décrits car ils sont connus de l'homme du métier et décrits par exemple dans le document FR-2.863.197. Ces clous ou ces têtes de clous permettent d'optimiser le remplissage entre les raidisseurs et le panneau afin de ne pas laisser d'air emprisonné entre ces différents éléments. Pour certaines techniques telles que l'infusion de résine, la présence de têtes de clou évite que la résine injectée ne suive ces chemins privilégiés au lieu d'imprégner correctement les fibres. Par conséquent, les clous et les têtes de clou ont essentiellement une fonction de 10 remplissage et n'ont pas pour fonction d'absorber d'éventuelles variations dimensionnelles lors de la fabrication du panneau raidi. Selon un premier mode opératoire décrit sur les figure 5A à 5I, on réalise dans un premier temps une plaque 50 à partir d'au moins un pli 50' de renforts fibreux préimprégnés. A titre indicatif, les plaques 50 ont une longueur sensiblement 15 égale ou légèrement supérieure à la longueur des raidisseurs 16 et une largeur sensiblement égale ou légèrement supérieure à la forme en U d'un raidisseur déployé. On réalise alors une polymérisation partielle de cette plaque de manière à obtenir une plaque en matériau composite mi-cuit. Cette opération est réalisée 20 en exerçant une pression sur lesdits plis de l'ordre de 5 à 7 bars avec un cycle thermique réduit de l'ordre de 130 à 180°C en fonction des résines. La température minimale correspond à la température de début de ramollissement (jusqu'à un état liquide) de la résine pour avoir une bonne consolidation afin de donner l'épaisseur finale après défoisonnement et une 25 évacuation des gaz afin de minimiser la porosité. La température maximale correspond à la température à ne pas dépasser afin de ne pas avoir une réaction trop avancée qui enlèverait au composite sa capacité à être déformé et limiter les risques d'exothermie qui emballerait la réaction et conduirait à une auto polymérisation. De préférence, les plis de renforts fibreux préimprégnés sont déposés sur un moule plat et recouvert d'un sac à vide, comme illustré sur la figure 5B.

Cette première phase doit permettre d'obtenir un taux de polymérisation de l'ordre de 25 à 40%. Il est possible d'agir sur la durée de la polymérisation pour obtenir un état mi-cuit pour ajuster le taux de polymérisation. Cet état mi-cuit est caractérisé par le fait que la résine est suffisamment polymérisée pour que la pièce ainsi réalisée ait une épaisseur définitive après défoisonnement et que l'évolution de la cinétique de réaction chimique soit stoppée, ce qui limite le vieillissement de la résine à température ambiante et permet un stockage des plaques 50, comme illustré sur la figure 5C. Cet état mi cuit est caractérisé par le fait également que la résine est suffisamment non-polymérisée pour pouvoir être déformée sans créer d'endommagement interne, et pour garantir des liaisons mécaniques satisfaisantes (en raison notamment de liaisons chimiques de type covalente au niveau moléculaire) lorsqu'on assemble ladite pièce avec une autre pièce à l'état mi-cuit ou cru lors d'une phase de polymérisation ultérieure permettant d'obtenir un assemblage par co-cuisson. Dans un second temps, on déforme les plaques 50 de manière à obtenir une section en U. Cette opération est réalisée en utilisant un poinçon 52 qui déforme la plaque 50 dans une empreinte 54 comme illustré sur la figure 5D. Cette déformation est opérée à une certaine température de l'ordre de 100 à 120°C pour une résine thermodurcissable de la classe 180°. Elle est rendue possible en raison de la polymérisation partielle initiale qui permet de pouvoir déformer la plaque 50 de manière à obtenir une forme en U.

L'invention n'est pas limitée à cette classe de résines thermodurcissable. Ainsi pour une résine de classe 120°, la déformation est opérée à une température comprise entre 80 et 100°C. Les surfaces du poinçon 52 sur lesquelles est disposée la plaque 50 ont des 5 formes adaptées correspondant aux formes des faces intérieures du U du raidisseur à réaliser. En suivant, comme illustré sur la figure 5E, le poinçon 52 est retourné de manière à disposer le raidisseur mi cuit la base du U orientée vers le haut. Eventuellement, les bords libres des ailes 20 sont détourés pour corriger la 10 hauteur desdites ailes. En suivant, des poinçons 52 supportant chacun un raidisseur mi-cuit sont disposés sur un support 56 comme illustré sur la figure 5F. Les poinçons 52 sont disposés de manière à ce que les ailes des raidisseurs adjacents soient accolées les unes contre les autres. De préférence, des clous et des têtes de clou sont 15 disposés entre les raidisseurs. En suivant, comme illustré sur la figure 5G, on dépose sur les bases des U des raidisseurs 16 qui sont orientés vers le haut au moins un plis de renforts fibreux préimprégnés (généralement plusieurs plis) de manière à former le panneau 12. L'ensemble est ensuite recouvert d'un sac à vide 58 comme illustré sur la 20 figure 4 et soumis à un cycle de polymérisation sous pression, en autoclave par exemple, comme illustré sur la figure 5H, de manière à finaliser la polymérisation et obtenir ainsi des liaisons mécaniques entre le panneau et les raidisseurs par co-cuisson. Lors de la phase de polymérisation les éléments sont soumis à un cycle de 25 pression et de température qui dépend de nombreux paramètres, notamment de la nature des fibres et de la résine.

La dernière étape consiste après la polymérisation complète à démouler l'ensemble de manière à obtenir un panneau raidi 10 comme illustré sur la figure 5I. Selon ce procédé, on obtient une précision dimensionnelle adéquate au niveau de la face du panneau comportant les renforts. Cette précision dimensionnelle découle du fait que la phase de polymérisation partielle permet de pouvoir conserver le raidisseur sur son poinçon lors de la polymérisation finale et ainsi de stabiliser sa géométrie. De plus, la phase de polymérisation partielle initiale limite l'apparition de phénomènes de défoisonnement après ladite phase de polymérisation partielle initiale. Compte tenu de la précision dimensionnelle de la face du panneau raidi comportant les renforts 14, il est possible d'effectuer les opérations d'assemblage avec d'autres pièces sans recourir à l'interposition d'une résine de calage.

Selon un autre mode opératoire illustré sur les figures 6A à 6H, on déforme au moins un pli de renfort 50', illustré sur la figure 6A entre un poinçon 52 et une empreinte 54 de manière à mettre en forme les plis 50' de renforts fibreux. Les surfaces du poinçon 52 sur lesquelles sont disposés les plis 50' ont des formes adaptées correspondant aux formes des faces intérieures du U du raidisseur à réaliser. Le poinçon 52 et les plis 50' de renforts fibreux sont soumis alors à une polymérisation partielle, comme illustré sur la figure 6C, de manière à obtenir un raidisseur 16 en matériau composite mi-cuit. Cette opération est réalisée en exerçant une pression sur lesdits plis de l'ordre de 5 à 7 bars avec un cycle thermique réduit de l'ordre de 130 à 180°C en fonction des résines. Comme précédemment, cette phase doit permettre d'obtenir un taux de polymérisation de l'ordre de 25 à 40%.

Les étapes suivantes 6D à 6G sont identiques aux étapes 5E à 5I, du premier mode opératoire. Les deux modes opératoires permettent d'obtenir une précision dimensionnelle au niveau de la face du panneau raidi comportant les renforts lui permettant d'être assemblé à d'autres pièces sans l'interposition d'une résine de calage. Selon un autre avantage, la phase de polymérisation partielle permet de stocker les pièces mi-cuites sans vieillissement du matériau. Comme illustré par le premier mode opératoire, l'état mi-cuit permet de pouvoir ultérieurement mettre en forme le raidisseur. Il permet également de pouvoir détourer les raidisseurs. Enfin l'état mi-cuit permet un assemblage ultérieur par co-cuisson ou par collage. Le premier mode opératoire permet de pouvoir utiliser une presse équipée d'un plateau et d'une vessie permettant de recréer les conditions de températures et de pressions d'un autoclave dans la mesure où les éléments subissant la polymérisation partielle sont plans. Selon un autre avantage du premier mode opératoire, il est possible de polymériser partiellement des plaques de grandes dimensions dans lesquelles sont découpées à l'état mi-cuit des bandes dont les dimensions sont adaptées à celles des raidisseurs.

Enfin, le premier mode opératoire permet de pouvoir stocker à l'état mi-cuit des éléments plans qui sont plus simples à stocker sans précautions au niveau de la température. Bien que décrit appliqué à des raidisseurs en U, le procédé selon l'invention n'est pas limitée à cette géométrie et peut être utilisé avec des raidisseurs en T, en L, 25 en I en J en Z en Oméga. Dans tous les cas, les raidisseurs sont obtenus à partir d'une plaque ayant subi une polymérisation partielle de manière à obtenir une plaque en matériau composite mi-cuit. Selon la géométrie du raidisseur, la plaque peut être mise en forme pour obtenir un raidisseur avec une géométrie donnée. Les raidisseurs ainsi obtenus sont placés de manière à orienter vers le haut la zone de contact avec le panneau à raidir. En suivant, on dépose au moins un pli de renforts fibreux préimprégnés (généralement plusieurs plis) de manière à former le panneau 12.

L'ensemble est ensuite recouvert d'un sac à vide et soumis à un cycle de polymérisation sous pression, en autoclave par exemple, de manière à finaliser la polymérisation et obtenir ainsi des liaisons mécaniques entre le panneau et les raidisseurs.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un panneau raidi comprenant d'une part un panneau (12) formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts (14) s'étendant selon une direction dite longitudinale dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs (16) comprenant chacun une zone de contact (18) avec le panneau (12) à raidir, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une polymérisation partielle des raidisseurs (16) ou des plaques (50) à déformer pour former des raidisseurs à l'état mi-cuit, à déposer sur les zones de contact (18) des raidisseurs au moins un pli de renforts fibreux de manière à former le panneau (12) et à effectuer une polymérisation de l'ensemble constitué du panneau (12) et des raidisseurs (16) en le soumettant à un cycle de pression et de température de manière à obtenir un panneau raidi.
2. Procédé de réalisation d'un panneau raidi comprenant d'une part un panneau (12) formant une peau et constitué d'un empilage de plis de renforts fibreux noyés dans une matrice de résine, et d'autre part, des renforts (14) s'étendant selon une direction dite longitudinale dans un plan sensiblement perpendiculaire audit panneau et formés à partir de raidisseurs (16) avec une section en U, dont la base (18) est plaquée contre le panneau (12) et dont les ailes (20) sont accolées les unes aux autres de manière à ce que deux ailes accolées forment un renfort (14), ledit procédé comprenant une étape consistant pour chaque raidisseur (16) à déformer au moins un pli de renforts fibreux préimprégnés de manière à lui conférer une section en U grâce à un poinçon (52) dont les surfaces en contact avec le raidisseur (16) ont des formes adaptées à celles du raidisseur à obtenir, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une polymérisation partielle des raidisseurs (16) ou des plaques (50) à déformer pourformer des raidisseurs à l'état mi-cuit, à conserver les raidisseurs (16) à l'état mi-cuit sur leurs poinçons (52), à déposer sur les bases (18) des raidisseurs au moins un pli de renforts fibreux de manière à former le panneau (12) et à effectuer une polymérisation de l'ensemble constitué du panneau (12) et des raidisseurs (16) en soumettant l'ensemble à un cycle de pression et de température de manière à obtenir un panneau raidi.
3. Procédé de réalisation d'un panneau raidi selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la polymérisation partielle doit permettre d'obtenir un taux de polymérisation de l'ordre de 25 à 40%.
4. Procédé de réalisation d'un panneau raidi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise une plaque (50) à partir d'au moins un pli (50') de renforts fibreux préimprégnés, puis une polymérisation partielle de ladite plaque (50), et une déformation de ladite plaque (50) de manière à former au moins un raidisseur (16) à l'état mi-cuit.
5. Procédé de réalisation d'un panneau raidi selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on déforme au moins un pli de renfort (50') grâce à un poinçon (52) et en ce qu'on polymérise au moins partiellement ledit au moins un pli (50') de renforts fibreux sur son poinçon (52) de manière à obtenir un raidisseur à l'état mi-cuit.