FR2974867A1 - Element de fixation et procede de realisation d'un assemblage - Google Patents

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Abstract

L'objet de l'invention est un élément de fixation (46) comprenant un corps en matériau composite dont les deux extrémités sont aplaties en forme de collerettes (56,58), le corps en matériau composite comprenant au moins une couche de fibres croisées entre elles. L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un assemblage (40) entre au moins une première pièce (42) et une deuxième pièce (44) traversées par un trou d'assemblage (48) effectué à l'aide d'un tel élément de fixation (46), le corps en matériau composite étant disposé au travers du trou d'assemblage (48) et les deux extrémités du corps (50) aplaties en forme de collerettes (56,58) venant en appui sur les surfaces extérieures (60,62) des pièces (42,44) à assembler.

Description

ELEMENT DE FIXATION ET PROCEDE DE REALISATION D'UN ASSEMBLAGE
La présente invention est relative à un élément de fixation permettant d'assembler deux pièces dans un aéronef et à un procédé de réalisation d'un assemblage avec cet élément de fixation. Dans la construction d'un aéronef, des panneaux structurels doivent être 5 assemblés et différents composants doivent être reliés à des panneaux structurels. A cet effet, il est connu d'utiliser un premier élément de fixation 10 tel qu'il est illustré en figure 1. Cet élément de fixation 10 se compose principalement d'un élément isolant 12, 10 d'une vis 14 et d'un écrou 16. L'élément isolant 12 prend la forme d'un cylindre creux en matériau non conducteur électriquement placé dans un trou 18 traversant le ou les panneaux structurels (20,22) et éventuellement une partie de liaison 24 d'un composant de l'aéronef. 15 Dans l'exemple représenté, le premier panneau structurel 20 est en matériau métallique et le deuxième panneau structurel 22 est en matériau composite. L'élément isolant 12 isole électriquement la vis 14 et l'écrou 16 des panneaux structurels (20,22) afin d'éviter la corrosion galvanique et les arcs électriques dans un caisson pétrolisé. 20 Aussi, cet élément isolant 12 est placé dans le trou 18 avant la mise en place de la vis 14 et de l'écrou 16.
Préalablement à la mise en place de l'élément isolant 12, divers revêtements d'étanchéité et/ou de protection (26,28,30) sont déposés sur les surfaces extérieures des éléments à assembler (20,22,24). Enfin, dans un tel assemblage, après la mise en place de la vis 14 au travers de l'élément isolant 12 et le serrage de l'écrou 16 sur la vis, un revêtement d'étanchéité 32 est déposé de manière à recouvrir la tête 34 de la vis 14, et un joint d'étanchéité 36 est disposé en périphérie de la partie de liaison 24. Un inconvénient de ce premier élément de fixation 10 de l'art antérieur est de nécessiter de nombreux composants et de nombreuses étapes pour réaliser l'assemblage. Aussi, un deuxième élément de fixation de l'art antérieur, décrit dans le brevet américain US-5.361.483 permet d'éviter l'utilisation d'un élément isolant et de moyens d'étanchéité. Ainsi, ce deuxième élément de fixation de l'art antérieur se présente sous la 15 forme d'un rivet aveugle en matériau composite. Sa conception en matériau composite non métallique permet d'éviter la corrosion galvanique sans utilisation d'un élément isolant. Lors de sa mise en oeuvre, les extrémités des fibres du matériau composite du rivet sont rabattues radialement vers l'extérieur de manière à former une 20 collerette en appui sur le bord du trou traversant les éléments à assembler ou de manière à former une tête conique dans une fraisure du trou traversant les éléments à assembler. Aussi, pour pouvoir déformer les extrémités du rivet et les maintenir en forme de collerette ou de tête conique, le matériau composite du rivet comprend une 25 matrice thermoplastique devenant malléable lorsqu'elle est soumise à une température élevée et durcissant de nouveau lors de son refroidissement.
Plus en détails, les extrémités du rivet sont rabattues à l'aide d'un outil de formage équipant un pistolet thermique ou un dispositif de soudure par ultrasons. Grâce à ce procédé de mise en oeuvre, ce deuxième élément de fixation de l'art 5 antérieur assure l'étanchéité de l'assemblage sans nécessiter de moyens d'étanchéité supplémentaires. De plus, si les éléments à assembler sont aussi réalisés dans un matériau composite à matrice thermoplastique, la matrice du rivet se mêle à celle des éléments à assembler sous l'effet de la chaleur, ce qui améliore les 10 caractéristiques mécaniques et l'étanchéité de la liaison réalisée par le rivet. Toutefois, selon un premier inconvénient de ce deuxième élément de fixation de l'art antérieur, les fibres du matériau composite du rivet sont toutes disposées longitudinalement dans l'axe du rivet. Cette disposition unidirectionnelle des fibres facilite la déformation des 15 extrémités du rivet mais ne permet pas d'obtenir un rivet avec des propriétés mécaniques intéressantes. D'une part, dans la partie du rivet située dans le trou, les fibres ne peuvent s'opposer qu'aux efforts situés dans l'axe du rivet, soit des efforts d'arrachement. Et, seule la matrice permet de reprendre les efforts situés dans 20 d'autres directions. D'autre part, dans la collerette ou dans la tête conique, les fibres s'étendent radialement sans se croiser, et seule la matrice permet de maintenir la collerette ou la tête conique en forme. Par conséquent, cette disposition unidirectionnelle des fibres n'est pas optimale, 25 tant dans la partie du rivet située dans le trou que dans la collerette ou dans la tête conique.
Selon un deuxième inconvénient de ce deuxième élément de fixation de l'art antérieur, les fibres du matériau composite du rivet remplissent entièrement le trou traversant les éléments à assembler. Ce remplissage permet d'augmenter le nombre de fibres, et donc d'améliorer la résistance mécanique qu'elles procurent, mais il ne permet pas de laisser une ouverture au travers des éléments à assembler pour le passage de câbles électriques ou d'autres conduites utiles au fonctionnement de l'aéronef. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, la présente invention est relative à un élément de fixation comprenant un corps en matériau composite dont les deux extrémités sont aplaties en forme de collerettes, le corps en matériau composite comprenant au moins une couche de fibres croisées entre elles. Le croisement des fibres améliore les caractéristiques mécaniques de l'élément de fixation en autorisant une reprise d'efforts variés et en permettant un meilleur maintien en forme des collerettes. Selon un autre avantage, les améliorations mécaniques apportées par le croisement des fibres autorisent la réalisation d'un élément de fixation creux permettant le passage de câbles électriques ou d'autres conduites utiles au fonctionnement de l'aéronef.
Enfin, la présente invention est aussi relative à un procédé de réalisation d'un assemblage, et à l'assemblage ainsi réalisé, entre au moins une première pièce et une deuxième pièce traversées par un trou d'assemblage effectué à l'aide de cet élément de fixation, le corps en matériau composite étant disposé au travers du trou d'assemblage et les deux extrémités du corps aplaties en forme de collerette venant en appui sur les surfaces extérieures des pièces assemblées. 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 représente un assemblage réalisé avec un élément de fixation selon l'art antérieur, - les figures 2A et 2B représentent la réalisation d'un assemblage effectué avec un élément de fixation dans un premier mode de réalisation selon l'invention, - la figure 3 représente un assemblage effectué avec un élément de fixation dans un deuxième mode de réalisation selon l'invention, - la figure 4 représente un manchon souple pour l'obtention du corps d'un élément de fixation selon l'invention, - la figure 5 représente une vue avec des arrachements partiels d'un tube rigide pour l'obtention du corps d'un élément de fixation selon l'invention, - la figure 6 représente un outil de formage pour déformer le corps d'un élément de fixation selon l'invention, - la figure 7 représente une vue avec des arrachements partiels d'une collerette d'un élément de fixation selon l'invention. La présente invention concerne la réalisation d'un assemblage 40 entre au moins deux pièces (42,44) effectué avec un élément de fixation 46. Selon un exemple représentatif d'une application visée par la présente invention et illustré par les figures 2A et 2B, la première pièce 42 est un panneau métallique d'un aéronef et la deuxième pièce 44 est un panneau en matériau composite d'un aéronef. Eventuellement, comme illustré par la figure 3, une troisième pièce 45, par exemple une partie d'un composant d'un aéronef, est assemblée aux deux pièces (42,44).
Pour la réalisation de l'assemblage 40, les pièces à assembler (42,44,45) sont traversées par un trou d'assemblage 48, et l'élément de fixation 46 comprend un corps 50 en matériau composite.
Ainsi, le procédé de réalisation d'un assemblage 40 selon l'invention prévoit de disposer le corps 50 en matériau composite au travers du trou d'assemblage 48. Ensuite, et comme illustré en figure 2B et en figure 3, le procédé prévoit que les deux extrémités (52,54) du corps 50 sont aplaties en forme de collerettes (56,58), ces collerettes (56,58) venant en appui sur les surfaces extérieures (60,62) des pièces à assembler (42,44) au niveau des bords (64,66) du trou d'assemblage 48. Afin de pouvoir déformer ses extrémités (52,54), le corps 50 est fabriqué dans un matériau composite à matrice thermoplastique, la matrice devenant malléable lorsqu'elle est chauffée au-dessus d'une certaine température et durcissant de nouveau lorsqu'elle refroidit. De préférence, si le matériau du corps 50 est composé de fibres de verre pour l'isolation, la matrice associée est une résine polyphénylène sulf ide, dite PPS, alors que si le matériau du corps 50 est composé de fibres de carbone pour la tenue mécanique, la matrice associée est une résine polyétheréthercétone, dite PEEK. Selon une première variante illustrée en figure 4, le corps 50 en matériau composite est issu d'au moins un manchon souple 68 de fibres tressées et revêtues d'une matrice thermoplastique en poudrée.
Dans une deuxième variante non représentée, le corps 50 en matériau composite est issu d'au moins une préforme de fibres dans laquelle est injectée une résine thermoplastique. Avantageusement, le manchon souple 68 et la préforme sont des éléments préfabriqués, ou obtenus à partir de produits existants et vendus dans le 25 commerce. Selon une troisième variante illustrée en figure 5, le corps 50 en matériau composite est issu d'au moins un tube rigide 70 en matériau composite à matrice thermoplastique.
Avantageusement, le tube rigide 70 est un profilé en matériau composite obtenu par un procédé de fabrication en continu tel la pultrusion. Dans un premier mode de réalisation illustré par les figures 2A et 2B, le corps 50 en matériau composite de l'élément de fixation 46 est obtenu à partir 5 d'un unique manchon souple 68 ou d'un unique tube rigide 70. Dans un deuxième mode de réalisation illustré par la figure 3, le corps 50 en matériau composite de l'élément de fixation 46 est obtenu à partir de deux tubes rigides (72,74) en matériau composite, le premier tube intérieur 72 ayant un diamètre extérieur D72 sensiblement égal au diamètre intérieur D74 du 10 deuxième tube extérieur 74. Chaque extrémité (52,54) du corps 50 est formée par un tube respectif (72,74), et donc chaque collerette (56,58) est une mise en forme d'un tube respectif (72,74). De plus, dans ce deuxième mode de réalisation, le premier tube intérieur 72 est 15 solidarisé au deuxième tube extérieur 74 sur la hauteur H46 de l'élément de fixation 46. Eventuellement, dans ce deuxième mode de réalisation, le corps 50 peut aussi être obtenu à partir de deux manchons souples en matériau composite, le premier manchon ayant un diamètre moyen sensiblement inférieur au diamètre 20 moyen du deuxième manchon. Par la suite, dans ces deux modes de réalisation, la mise en forme de collerettes (56,58) des extrémités (52,54) du corps 50 peut être effectuée après avoir disposé le corps 50 dans le trou d'assemblage 48. Toutefois, afin de réduire le temps nécessaire pour assembler les 25 pièces (42,44,45), au moins une extrémité (52,54) du corps 50 est mise en forme de collerette (56,58) avant disposition du corps 50 dans le trou d'assemblage 48.
Bien entendu, dans le premier mode de réalisation, seule une extrémité (52,54) du corps 50 formé par un tube 70 ou un manchon 68 peut être mise en forme de collerette (56,58) avant disposition dans le trou d'assemblage 48. Au contraire, dans le deuxième mode de réalisation, les deux extrémités (52,54) du corps 50 formé par les tubes 72,74, ou par deux manchons, peuvent être mises en forme de collerette (56,58) avant disposition des tubes, ou des manchons, dans le trou d'assemblage 48. Dans l'un ou l'autre mode de réalisation de l'invention, et aussi bien avant que après mise en place du corps 50 dans le trou d'assemblage 48, chaque extrémité (52,54) du corps 50 est mise en forme à l'aide d'au moins un outil de formage 76. Comme illustré en figure 2A et en figure 6, l'outil de formage 76 comprend une embase 78 supportant une tige 80, la tige 80 pénétrant dans le corps 50 formé par le ou les tubes (70,72,74) ou le manchon 68, et la surface 82 de l'embase attenante à la tige 80 repoussant l'extrémité (52,54) du corps 50 de manière à former une collerette (56,58). De préférence, dans le premier mode de réalisation, deux outils de formage (76-1,76-2) sont utilisés pour déformer simultanément les deux extrémités (52,54) du corps 50 formé par un tube 70 ou un manchon 68.
Afin d'amener la matrice thermoplastique du corps 50 à une température à laquelle elle devient malléable, l'outil de formage (76,76-1,76-2) est associé à un dispositif chauffant, tel un pistolet thermique, ou à un dispositif de soudure par ultrasons. Comme illustré en figure 6, dans le cas où l'outil de formage (76,76-1,76-2) est associé à un dispositif de soudure par ultrasons, la surface 82 de l'embase 78 repoussant l'extrémité (52,54) du corps 50 comprend des nervures concentriques 84 pour orienter l'énergie vibratoire restituée par l'outil de formage (76,76-1,76-2) au corps 50 en matériau composite.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, la chaleur ou l'énergie vibratoire transmise par l'outil de formage permet de souder le premier tube intérieur 72 au deuxième tube extérieur 74 sur la hauteur H46 de l'élément de fixation 46.
Ensuite, dans le cas où une ou plusieurs pièces à assembler (42,44,45) sont réalisées dans un matériau composite à matrice thermoplastique, et aussi bien dans le premier ou dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, la chaleur ou l'énergie vibratoire transmise par l'outil de formage (76,76-1,76-2) permet de ramollir à la fois la matrice thermoplastique du corps 50 et la matrice thermoplastique de la ou des pièce(s) à assembler (42,44,45), ce qui améliore les caractéristiques mécaniques de la liaison effectuée par l'élément de fixation 46. De plus, si la matrice thermoplastique du corps 50 et la matrice thermoplastique de la ou des pièce(s) à assembler (42,44,45) sont identiques, les matrices se mélangent sous l'effet de la chaleur ou de l'énergie vibratoire transmise par l'outil de formage (76,76-1,76-2), ce qui améliore plus encore les caractéristiques mécaniques de la liaison effectuée par l'élément de fixation 46. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, dans le premier ou le deuxième mode de réalisation et comme illustré sur les figures 3 et 4, le corps 50 en matériau composite formé par au moins un tube (70,72,74), ou au moins un manchon 68, comprend au moins une couche 86 de fibres croisées entre elles. Comparativement à un rivet en matériau composite à fibres longitudinales de l'art antérieur, ces fibres croisées permettent d'augmenter la résistance mécanique de la portion droite 88 de l'élément de fixation 46 située à l'intérieur du trou 48, et d'améliorer la reprise d'efforts situés dans diverses directions, et notamment dans des directions différentes de celle de l'axe longitudinal A de l'élément de fixation 46.
De plus, comme illustré en figure 7, ces fibres croisées permettent de mieux maintenir en forme les collerettes (56,58) du corps 50 de l'élément de fixation 46. Selon une disposition optimale autorisant la déformation des extrémités (52,54) du corps 50 lorsque la matrice thermoplastique est devenue malléable et permettant toutefois d'améliorer les caractéristiques mécaniques de l'élément de fixation 46, les fibres croisées d'une couche 86 sont disposées à +45 degrés et à -45 degrés. Ensuite, le corps 50 peut aussi comprendre une couche de fibres disposées 10 longitudinalement dans l'axe A du corps 50. Cette couche de fibres disposées longitudinalement permet d'améliorer la résistance de l'élément de fixation aux efforts d'arrachement situés dans l'axe A de cet élément 46 et principalement subis par cet élément 46. Aussi, dans une variante préférée et illustrée en figure 5, le corps 50 comprend 15 une couche intermédiaire 90 de fibres disposées longitudinalement dans l'axe du corps 50, la couche intermédiaire 90 étant interposée entre deux couches (86-1,86-2) de fibres croisées entre elles. Un tel corps 50 à trois couches (90,86-1,86-2) peut être facilement et économiquement obtenu à partir d'un tube 70 pultrudé. 20 Comme illustré en figure 7, un corps 50 à trois couches (90,86-1,86-2) autorise la réalisation d'une collerette (56,58) très résistante mécaniquement, les fibres des deux couches (86-1,86-2) demeurant croisées même après déformation de l'extrémité (52,54) en collerette. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, le corps 50 en 25 matériau composite est creux afin de permettre le passage de câbles électriques ou de diverses conduites utiles au fonctionnement de l'aéronef. A cet effet, le corps 50 est donc obtenu à partir d'un ou plusieurs tubes (70,72,74) cylindriques et creux, ou d'un manchon (68) creux.
Bien entendu, la présente invention couvre un assemblage 40 entre au moins deux pièces (42,44,45) effectué avec un élément de fixation 46 et selon un procédé de réalisation d'un assemblage tels qu'ils viennent d'être décrits.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Elément de fixation (46) comprenant un corps (50) en matériau composite dont les deux extrémités (52,54) sont aplaties en forme de collerettes (56,58), caractérisé en ce que le corps (50) en matériau composite comprend au moins une couche (86) de fibres croisées entre elles.
  2. 2. Elément de fixation (46) selon la revendication 1, dans lequel les fibres croisées d'une couche (86) sont disposées à +45 degrés et à -45 degrés.
  3. 3. Elément de fixation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps (50) comprend au moins une couche de fibres disposées longitudinalement dans l'axe (A) du corps (50).
  4. 4. Elément de fixation selon la revendication 3, dans lequel le corps comprend une couche intermédiaire (90) de fibres disposées longitudinalement dans l'axe (A) du corps (50), la couche intermédiaire (90) étant interposée entre deux couches (86-1,86-2) de fibres croisées entre elles.
  5. 5. Elément de fixation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le corps (50) en matériau composite est creux.
  6. 6. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) entre au moins une première pièce (42) et une deuxième pièce (44) traversées par un trou d'assemblage (48) effectué à l'aide d'un élément de fixation (46) selon l'une des revendications précédentes, le corps (50) en matériau composite étant disposé au travers du trou d'assemblage (48) et les deux extrémités (52,54) du corps (50) aplaties en forme de collerettes (56,58) venant en appui sur les surfaces extérieures (60,62) des pièces (42,44) à assembler.
  7. 7. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon la revendication 6, dans lequel le corps (50) en matériau composite est issu d'au moins un manchon 25 souple (68) de fibres tressées et revêtues d'une matrice thermoplastique enpoudre, ou d'au moins une préforme de fibres dans laquelle est injectée une résine thermoplastique.
  8. 8. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon la revendication 6, dans lequel le corps (50) en matériau composite est issu d'au moins un tube rigide (70,72,74) en matériau composite à matrice thermoplastique.
  9. 9. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon la revendication 8, dans lequel le corps (50) en matériau composite de l'élément de fixation (46) est obtenu à partir de deux tubes rigides (72,74) en matériau composite, le premier tube intérieur (72) ayant un diamètre extérieur (D72) sensiblement égal au diamètre intérieur (D74) du deuxième tube extérieur (74), chaque extrémité (52,54) du corps (50) étant formée par un tube respectif (72,74) et chaque collerette (56,58) étant une mise en forme d'un tube respectif (72,74), et le premier tube (72) étant solidarisé au deuxième tube (74) sur la hauteur (H46) de l'élément de fixation (46).
  10. 10. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel au moins une extrémité (52,54) du corps (50) est mise en forme de collerette (56,58) avant disposition du corps (50) dans le trou d'assemblage (48).
  11. 11. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon l'une des revendications 6 à 10, dans lequel les extrémités (52,54) du corps (50) sont mises en forme à l'aide d'au moins un outil de formage (76,76-1,76-2) comprenant une embase (78) supportant une tige (80), la tige (80) pénétrant dans le corps (50), et la surface (82) de l'embase attenante à la tige (80) repoussant l'extrémité (52,54) du corps (50) de manière à former une collerette (56,58).
  12. 12. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon la revendication 11, dans lequel l'outil de formage (76,76-1,76-2) est associé à un dispositif chauffant, tel un pistolet thermique, ou à un dispositif de soudure par ultrasons.
  13. 13. Procédé de réalisation d'un assemblage (40) selon la revendication 12, l'outil de formage étant associé à un dispositif de soudure par ultrasons, dans lequel la surface (82) de l'embase (78) repoussant l'extrémité (52,54) du corps (50) comprend des nervures concentriques (84).
  14. 14. Assemblage (40) entre au moins deux pièces (42,44,45) traversées par un trou d'assemblage (48), l'assemblage (40) étant réalisé selon le procédé de l'une des revendications 6 à 13.
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