FR2970670A1 - Piece en materiau composite et procede de realisation d'une telle piece - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une pièce (10) en matériau composite comprenant une âme (100) et au moins une peau (20,30) en matériau composite recouvrant ladite âme (100) caractérisée en ce que l'âme (100) comprend au moins un corps (101) dont au moins une face (105) comprend un ou plusieurs angles (104) présentant des sommets respectifs arrondis. Elle concerne, en outre, un procédé de fabrication d'une telle pièce.

Description

La présente invention se rapporte à une pièce en matériau composite. Elle se rapporte, également, à un procédé de réalisation de cette pièce en matériau composite.
L'invention trouve une application particulière, notamment dans l'aéronautique et le domaine de la fabrication des structures composites d'aéronefs, introduites dans l'industrie aéronautique en raison de leur légèreté. On pourra notamment citer la réalisation de bielles de train d'atterrissage, de mât d'accrochage dans une nacelle de turboréacteur ou de panneaux de cette nacelle. De façon générale, de telles pièces en matériau composite peuvent être formées d'une ou plusieurs couches de structures à âmes alvéolaires du type nid d'abeille, généralement revêtues d'une ou plusieurs peaux en matériau composite sur leur face externe et sur leur face interne.
Ces pièces composites peuvent être fabriquées selon plusieurs techniques de réalisation. On peut citer notamment les procédés RTM / LRI (Resin Transfer Molding / Liquid Resin Infusion) qui permettent de réaliser une pièce composite à partir de fibres sèches et le procédé préimprégné qui permet de réaliser une pièce composite à partir de fibres préimprégnées de résine. On connaît aussi des techniques de drapage de plis de fibres ou d'enroulement filamentaires qui peuvent être appliquées à l'un ou l'autre des procédés cités. Lors du processus de drapage, la structure à âme alvéolaire est 25 déposée dans un moule et plusieurs plis de fibres sont déposés sur cette structure, notamment selon plusieurs orientations distinctes. L'ensemble drapé ainsi obtenu est durci c'est-à-dire polymérisé avec une résine adhésive, par exemple dans un autoclave qui fournit chaleur et pression en vue d'obtenir la pièce finale en matériau composite mise en forme. 30 Due aux dimensions toujours plus grandes des pièces à fabriquer ou encore de leur complexité et de la cadence de fabrication imposée, le processus de drapage est le plus souvent automatisé.
On utilise, notamment, un rouleau de dépose automatique de plis de fibres appartenant à une unité de drapage d'une machine à commande numérique. Ce rouleau peut prendre la forme, par exemple, d'un cylindre souple qui se déplace le long de l'outillage ou d'un moule dans un cycle de déplacement prédéterminé au fur et à mesure de l'avancement de la dépose de plis de fibres sur les structures à âme alvéolaire. Toutefois, on rencontre parfois des difficultés lors de ce processus de drapage automatisé.
Ces difficultés concernent la non stabilisation des structures à âmes alvéolaires lors du drapage ainsi que la tolérance de positionnement qu'elles induisent. Plus précisément, la programmation de l'unité de drapage et, par conséquent, du rouleau de dépose n'intègre pas les tolérances de positionnement de la structure à âme alvéolaire à recouvrir de plis de fibres. Le rouleau effectue dès lors un drapage de la surface théorique de la structure à âme alvéolaire sans se recaler par rapport à la position effective de cette structure. La qualité de dépose de plis de fibres est alors affectée.
De plus, étant donné que dans une pièce composite la position des plis de fibres participent à la définition des lignes de transmission d'efforts de la pièce finale, on comprend que la présence de défauts de dépose a des répercussions négatives sur les propriétés mécaniques finales de la pièce en matériau composite.
Il existe donc un besoin d'améliorer les procédés de réalisation des pièces en matériau composite et, notamment le drapage automatisé. Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients susmentionnés. Un autre but de la présente invention est de proposer une pièce en 30 matériau composite dont la tolérance de positionnement inhérente à la structure d'âme constitutive de la pièce utilisée est améliorée.
Il est également désirable d'offrir un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite dont la tolérance de positionnement inhérente à la structure d'âme constitutive de la pièce utilisée est plus importante tout en offrant une qualité de drapage accrue.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite simple à mettre en oeuvre et facilement reproductible. A cet effet, la présente invention propose une pièce en matériau composite comprenant une âme et au moins une peau en matériau composite 10 recouvrant ladite âme. Cette pièce est remarquable en ce que l'âme comprend au moins un corps dont au moins une face comprend un ou plusieurs angles présentant des sommets respectifs arrondis. Les inventeurs ont mis en évidence de manière inattendue qu'une 15 telle âme est tout à fait appropriée pour les procédés de réalisation de pièces composites comprenant un drapage automatisé, contrairement aux âmes dont les faces présentent des coins droits dans la mesure où une telle âme génère des tolérances de positionnement de l'âme plus importantes. Les coins de l'âme sont arrondis avant tout processus de 20 fabrication de la pièce et avant drapage.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la pièce en matériau composite de l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons 25 possibles : - Le corps de l'âme comprend au moins un bord biseauté. Par «biseauté», on entend ici que le bord de l'âme présente une rampe et est, par conséquent, oblique ; - chaque bord du corps de l'âme est formé d'un biseau; 30 - ledit sommet présente un rayon compris entre 50 mm et 70 mm ; - chaque biseau est formé selon une pente pouvant aller jusqu'à 30° ; - le matériau de l'âme est une structure en nid d'abeille. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet une nacelle pour moteur d'aéronef, remarquable en ce qu'elle comprend au moins une pièce en matériau composite telle que précitée.
Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite comprenant les étapes suivantes : - (a) former une âme dont le corps comprend au moins une face dont l'un ou plusieurs angles présentent des sommets respectifs arrondis, - (b) former des nappes de fibres, - (c) draper l'âme d'une ou plusieurs nappes de fibres formées, ces nappes formant une peau recouvrant l'âme, - (d) solidariser l'âme et la peau ensemble pour former la pièce en matériau composite finale.
Grâce à la présente invention, un drapage automatisé des nappes de fibres sur une structure d'âme accepte plus facilement les écarts de positionnement de l'âme d'une pièce à une autre, garantissant ainsi l'obtention de pièces en matériau composite de qualité accrue.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite selon l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles : - l'étape (b) est une étape de formation de nappes de fibres pré 25 imprégnées ; - l'étape (c) est automatisée ; - l'étape (d) est une étape de polymérisation et de mise en forme de la pièce en matériau composite. 30 L'invention sera davantage comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre, faite en référence aux figures ci-annexées : - La figure 1 est une représentation schématique en coupe transversale d'une pièce en matériau composite selon un mode de réalisation de la présente invention ; - Les figures 2a à 2c sont des photographies illustrant plusieurs vues d'un drapage de plis de fibres formant la pièce de la figure 1 ; - La figure 3 est une représentation schématique des tolérances de positionnement d'une âme de la pièce de la figure 1 lors d'un drapage de plis de fibres relativement à des tolérances de positionnement d'une âme d'une pièce en matériau composite de l'art antérieur lors d'un même drapage.
Sur la figure 1 on a représenté une pièce en matériau composite désignée par la référence générale 10, disposée, par exemple sur une matrice 1 d'un moule de moulage de la pièce en matériau composite. Dans un exemple non limitatif de la présente invention, cette pièce 1 0 est une pièce sandwich composite composée de deux peaux resepctivement externe et interne 20,30 positionnées de part et d'autre d'une structure d'âme 100. De façon connue, les contraintes de flexion, de traction et de compression peuvent être supportées par les peaux 20,30 tandis que les 20 efforts de cisaillement peuvent être supportés par l'âme 100. Il est à noter que le nombre de peaux de part et d'autre de l'âme 100 n'est pas limité à l'exemple décrit. Ainsi, une variante de réalisation peut prévoir plusieurs peaux 20,30 sur l'un et/ou l'autre des côtés de l'âme 100 ou aucune peau sur l'un des côtés de l'âme 100. 25 Concernant l'âme 100 de la pièce 10, elle contribue à la rigidité de cette dernière. Elle peut être ainsi formée d'un matériau à base de mousses ou être conformée, par exemple, en nid d'abeille. Dans ce dernier cas, la structure en nid d'abeille peut être 30 constituée d'un matériau métallique, d'un alliage ou d'un matériau composite. De plus, les cellules alvéolaires de la structure en nid d'abeille peuvent s'étendre de la peau externe 20 vers la peau interne 30 et peuvent présenter des sections de toute forme géométrique telles que des sections hexagonales. L'âme 100 présente un corps principal 101 dont au moins une face dite face supérieure 105 est plane .et, le cas échéant, un ou plusieurs bords 5 latéraux 102 périphériques biseautés. Le corps 101 peut présenter toute forme géométrique appropriée, notamment la forme correspondant à la géométrie de la pièce souhaitée ou encore une forme proche de la géométrie du moule de la pièce souhaitée. Il peut présenter, également, tout épaisseur appropriée suivant la 10 pièce désirée. Cette épaisseur peut ne pas être uniforme et localement présenter des surépaisseurs afin de renforcer mécaniquement certaines zones de l'âme 100. Concernant les bords 102 biseautés, les biseaux sont destinés, 15 notamment, à transférer les contraintes de cisaillement aux peaux interne 30 et externe 20. Plus précisément, le ou les bord latéraux 102 obliques présentent une rampe dont l'épaisseur diminue en s'éloignant du corps de l'âme 100. Dans un exemple non limitatif de la présente invention, la rampe 20 est formée selon une pente de l'ordre de 30°. Avantageusement, un ou plusieurs angles ou coins d'une face 105 du corps 101 de l'âme 100 ont leurs sommets 104 respectifs arrondis, comme illustré notamment sur la figure 2c pour la face supérieure 105 du corps 101 de l'âme 100. 25 Plus précisément, l'interface entre un bord biseauté 102 et l'une des faces 105 du corps 101 définie une ligne d'intersection 103 et l'angle formé entre deux lignes d'intersection qui se rencontrent présente un sommet 104 arrondi. Le ou les sommets 104 présentent un rayon compris entre 50 mm 30 et 70 mm et, plus particulièrement de l'ordre de 60 mm. Dans un mode de réalisation, l'intersection 103 entre un bord latéral 102 biseauté et une face 105 du corps 101 adjacente définie un angle dont le sommet 104 est également arrondi, comme illustré sur les figures 1 et 2b notamment. Concernant les peaux interne 30 et externe 20, ces dernières peuvent être formées d'une ou plusieurs nappes de fibres qu'on aura successivement drapées, comme cela sera décrit plus loin en relation avec le procéde de réalisation de la présente pièce en matériau composite 10. Dans un exemple non limitatif de la présente invention, les fibres des peaux interne 30 et externe 20 peuvent être choisies dans un groupe comprenant les fibres de carbone, de verre, de silice, de carbure de silicium ou les fibres aramides telles que le Kevlar. Chaque peau interne et externe 30,20 présente donc une géométrie spécifique et/ou un nombre de nappes fibreuses spécifique. Des variantes de réalisation d'une telle pièce 10 en matériau composite peuvent être proposées.
Ainsi, elle peut être formée d'une structure sandwich comprenant plusieurs couches d'âme alvéolaire 100, ces couches étant assemblées entre elles par des moyens connus et prises en sandwich entre une peau interne 20et une peau externe 30 analogues à celles de la figure 1. La pièce 10 peut, par ailleurs, être une pièce présentant des 20 propriétés acoustiques. Dans ce cas, la peau interne 20 peut comporter des perforations acoustiques.
Un procédé de réalisation d'une pièce 10 en matériau composite qui vient d'être décrite peut être mis en oeuvre de la façon suivante. 25 En premier lieu, on forme une âme 100 dont le corps 101 présente au moins un des coins 104 arrondi. L'âme 100 est ainsi tranchée à l'épaisseur voulue puis découpée et formée à l'aide d'équipements à contrôle numérique. Ces équipements sont notamment adaptés pour former les 30 caractéristiques particulières des bords 102, des angles 104 et des jonctions 103 telles que décrites en relation avec la figure 1.
Dans une étape parallèle, des rubans de fibres de type unidirectionnelle dans un exemple non limitatif, destinés à former chaque peau interne 20 et externe 30 de la pièce 10 sont montés sur une unité de drapage d'une machine de dépose de fibres, ceci afin d'être drapés sur l'âme de la pièce 10 en matériau composite à réaliser. Chaque nappe pourra être formée par le placement côte à côte de rubans de fibres telles que celles décrites en relation avec la figure 1 pour former des bandes de fibres. Dans un exemple non limitatif de la présente invention, on réalise 10 des nappes de fibres préimprégnées. Ces fibres ne sont pas des éléments fibreux secs mais pré imprégnés de résine éventuellement pré polymérisée, avant drapage et formage de la pièce 10. Comme illustré sur les figures 2a à 2c, on procède, dans une étape 15 ultérieure, au drapage automatisé des nappes de fibres sur l'âme 100 pour former lesdites peaux interne 30 et externe 20 composites. Tout d'abord, dans une opération préalable, l'opérateur applique une ou plusieurs nappes de fibres pré imprégnées formant la peau interne 20 sur la matrice 1. 20 L'âme100 formée à une étape précédente est alors placée sur la peau interne formée 30 pour être recouverte, ensuite, par drapage par la peau externe 20. Il est à noter que le drapage est décrit pour la peau externe 30 mais les nappes de la peau interne 20 peuvent également être mises en place 25 suivant le même processus de drapage. L'opération de drapage de la peau externe 20, illustrée en partie sur les figures 2a à 2c. Cette opération consiste à déposer côte à côte et/ou à superposer différentes nappes de fibres pré imprégnées suivant un séquencement et des 30 orientations bien déterminées. Ainsi, les nappes de fibres pré imprégnées sont orientées préférentiellement suivant différentes directions (0°, +/-45°, 90°) illustrées sur les figures 2a à 2c par les directions X et Y, notamment avec alternance de la direction des fibres d'une nappe par rapport à la direction des fibres d'une nappe adjacente. Les directions sont définies essentiellement en fonction de la 5 nature des sollicitations mécaniques imposées à la pièce composite 10 à réaliser (traction, flexion, cisaillement ou autres). Par ailleurs, l'étape de drapage est automatisée. On utilise, ainsi, par exemple, un rouleau de dépose automatique de nappes de fibres piloté, dans un cycle de déplacement prédéterminé au fur et a mesure de 10 l'avancement de la dépose, par une machine à commande numérique. Il est à noter que les dimensions des peaux 20,30 étant plus importantes que celles de l'âme 100, les peaux 20,30 se rejoignent et s'assemblent à la périphérie de l'âme 100. En référence à la figure 3, on observe que l'utilisation d'une âme 15 100 dont le corps 101 principal présente des coins 104 arrondis génère de plus grandes tolérances de positionnement de l'âme 100 selon les directions de drapage X et Y. Ainsi, la tolérance de positionnement obtenue avec une telle âme 100 à coins arrondis est égale selon X à +/-5mm et selon Y à +/-5mm tandis 20 que la tolérance de positionnement obtenue avec une âme à coins droits est égale selon X à +/-2mm et selon Y à +/-5mm. Par conséquent, on constate une plus grande souplesse de positionnement pour les âmes 100 des pièces en matériau composite 10 réalisées selon la présente invention. 25 Dans une étape ultérieure, lorsque les différentes nappes de fibres pré imprégnées sont drapées, on solidarise les peaux interne 30 et externe 20 avec l'âme 100 et on réalise une mise en forme de la pièce 10 finale. Par solidarisation, on entend, plus particulièrement, une étape de polymérisation d'une résine adhésive entre les peaux 20,30 et l'âme 100 de la 30 pièce 10.
Concernant la mise en forme de la pièce 10 finale, elle peut être réalisée dans un moule dans lequel on aura placé l'ensemble peaux 20,30 - âme 100 et éventuellement la résine adhésive à polymériser. Le moulage peut être fait, de façon connue, dans des matrices de 5 forme complémentaires pressées l'une contre l'autre ou dans un support associé à une vessie souple sous vide ou sous pression. Le durcissement ou polymérisation de la résine adhésive peut être réalisé en plaçant le moule dans un autoclave ou une étuve. L'autoclave est un réservoir sous pression dans lequel les 10 conditions de cuisson et polymérisation des résines sont déterminées en contrôlant le vide, la pression et les températures. L'etuve est, quant à elle, un réservoir sous vide uniquement avec un cycle de cuisson relativement court. Concernant la résine adhésive, elle peut être déposée sur 15 l'ensemble peaux 20,30 - âme 100 préalablement au moulage ou être injectée dans le moule lors du moulage. Elle peut être tout résine adaptée connue de l'homme de l'art et être identique ou non à la résine d'imprégnation des fibres. De plus, la polymérisation peut être déclenchée par tout moyen, 20 pris seul ou en combinaison, tel qu'une irradiation, des micro-ondes, une induction ou encore par augmentation de la température. A la fin de l'étape de polymérisation et de mise en forme, l'âme 100 est fixée aux peaux interne 30 et externe 20 pour former la pièce finale 10 en matériau composite. 25 L'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits ci-dessus, mais couvre, au contraire, toutes les variantes possibles. Ainsi, le mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus concerne la 30 réalisation d'une structure composite sandwich comprenant une âme et deux peaux 20,30.
Le procédé permet bien entendu la fabrication de structures réduites à une seule peau rapportée sur une face de l'âme 100 ou la fabrication de structures comprenant plus d'une peau sur chaque face de l'âme 100. Par ailleurs, les directions de drapage peuvent être quelconques et variables d'une nappe à une autre. Il est à noter, par ailleurs, que le procédé selon l'invention a été décrit avec l'utilisation de nappes de fibres pré imprégnées. Toutefois, il peut être possible d'utiliser des nappes de fibres sèches pour le drapage. Dans ce cas, un procédé RTM ou LRI peut être mis en oeuvre sans 10 sortie du cadre de la présente invention. Par ailleurs, la présente invention peut être appliquée à toute pièce en matériau composite comprenant une âme dont le corps comprend des coins arrondis réalisée par drapage automatique.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Pièce (10) en matériau composite comprenant une âme (100) et au moins une peau (20,30) en matériau composite recouvrant ladite âme (100) caractérisée en ce que l'âme (100) comprend au moins un corps (101) dont au moins une face (105) comprend un ou plusieurs angles (104) présentant des sommets respectifs arrondis.
  2. 2. Pièce selon la revendication 1 caractérisée en ce que le corps (101) de l'âme (100) comprend au moins un bord (102) biseauté.
  3. 3. Pièce selon la revendication 2 caractérisée en ce que chaque bord (102) du corps de l'âme (100) est formé d'un biseau.
  4. 4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit sommet présente un rayon compris entre 50 mm et 70 mm.
  5. 5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en 20 ce que le biseau est formé selon une pente de 30°.
  6. 6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le matériau de l'âme (100) est une structure en nid d'abeille. 25
  7. 7. Nacelle pour moteur d'aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pièce (10) en matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. 8. Procédé de réalisation d'une pièce (10) en matériau 30 composite selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant les étapes suivantes :15- (a) former une âme (100) dont le corps (101) comprend au moins une face (105) dont l'un ou plusieurs angles (104) présentent des sommets respectifs arrondis, - (b) former des nappes de fibres, - (c) draper l'âme (100) d'une ou plusieurs nappes de fibres formées, ces nappes formant une peau (20,30) recouvrant l'âme (100), - (d) solidariser l'âme (100) et la peau (20,30) ensemble pour former la pièce (10) en matériau composite finale.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8 selon lequel l'étape (b) est une étape de formation de nappes de fibres pré imprégnées.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 à 9 selon lequel l'étape (c) est automatisée.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10 selon lequel l'étape (d) est une étape de polymérisation et de mise en forme de la pièce (10) en matériau composite. 20
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