FR2992725A1 - Analyse de deformation - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de détermination d'une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres, au cours duquel une déformation est tout d'abord déterminée lors de la fabrication d'un échantillon d'élément composite renforcé de fibres, et où la déformation à prévoir est ensuite calculée en fonction de la forme de l'élément composite renforcé de fibres à fabriquer et d'un paramètre d'allongement déterminé à partir de la déformation.

Description

Analyse de déformation La présente invention concerne un procédé pour déterminer une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres, qu'il s'agit d'obtenir à partir d'un semi-produit fibreux en association avec une résine de matrice. Les éléments composites renforcés de fibres sont de plus en plus utilisés dans des domaines très divers car ils présentent, pour un poids relativement faible, une rigidité et une résistance élevées dans au moins une direction. Ces éléments composites renforcés de fibres présentent néanmoins un inconvénient considérable, à savoir des coûts de fabrication significativement accrus par rapport à des matériaux classiques. Ces coûts supplémentaires sont notamment dus au fait qu'une grande partie des éléments composites renforcés de fibres nécessite encore beaucoup de travail manuel lors de leur fabrication. Lors de la fabrication d'éléments composites renforcés de fibres, un semi-produit fibreux est infiltré avec une résine de matrice puis durci dans un outil de formage, généralement sous l'effet de la température et de la pression. Sous l'effet de la température, il se produit une réaction de la résine dans le semi- produit fibreux infiltré avec la résine de matrice, de sorte que les fibres du semi-produit fibreux fusionnent en un élément intégral. Seul ce procédé permet l'obtention d'une telle résistance, en particulier dans le sens de traction des fibres.
Il n'est pas rare d'utiliser lors de la fabrication des éléments composites renforcés de fibres des semi-produits fibreux préimprégnés, aussi appelés « préimprégnés ». Les préimprégnés présentent l'avantage de ne pas nécessiter d'infiltrer le semi-produit fibreux avec la résine de matrice dans une installation complexe après l'introduction du semi-produit fibreux dans le moule. Les préimprégnés, la plupart du temps enroulés en forme de bande sur des rouleaux, peuvent être découpés sur place et introduits par couches dans le moule afin de former le futur élément. Lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres, il se produit toutefois actuellement des déformations dues à la fabrication, qui entraînent après le formage définitif de l'élément composite renforcé de fibres hors du moule la disparition des tensions apparues lors de la fabrication, et ainsi une déformation ultérieure de l'élément composite renforcé de fibres dans son intégralité. Si cette déformation à prévoir n'a pas été prise en considération lors de la conception et du dessin de l'élément ainsi que du moule nécessaire à cet effet, il peut alors devenir impossible de respecter des tolérances de fabrication prédéfinies. A l'heure actuelle, de telles déformations ne sont pas prises en considération dans le processus de conception ou sont compensées par des valeurs expérimentales connues des personnes impliquées dans le processus de conception. Les valeurs expérimentales disponibles sont toutefois liées aux personnes impliquées dans le processus de conception de sorte que le départ des personnes concernées peut à tout moment occasionner une perte de savoir-faire.
En outre, une reproduction à 100 % du résultat de fabrication ne peut être atteinte en dépit de l'expérience, de sorte que généralement seule la fabrication de prototypes très coûteux permet de déterminer les informations nécessaires relatives à la déformation de l'élément composite renforcé de fibres. Si des déformations sont constatées sur le prototype, celles-ci doivent être compensées en modifiant le moule, ce qui entraîne généralement des étapes de réusinage inutiles et très coûteuses sur l'outil de formage. C'est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles les processus de fabrication 30 d'éléments composites renforcés de fibres sent très onéreux et laborieux. Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif d'indiquer un procédé permettant de déterminer une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres, sans avoir à fabriquer un prototype coûteux et laborieux. L'objectif est atteint par le procédé du type cité en introduction, comportant selon l'invention les étapes suivantes : a) lors de la fabrication d'un échantillon d'élément composite renforcé de fibres à partir d'un échantillon de semi-produit fibreux infiltré avec la résine 10 de matrice, détermination expérimentale d'une déformation dans une direction à l'extérieur d'un plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux, à l'aide d'un dispositif de mesure, détermination d'au moins un paramètre d'allongement à partir de la déformation déterminée par expérimentation, et 15 c) calcul, par une unité de calcul, d'une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres en fonction d'une forme de l'élément composite renforcé de fibres à fabriquer et d'au moins l'un des paramètres d'allongement déterminés. 20 Le coeur de la présente invention consiste à déterminer, au début du processus de conception, une déformation lors de la fabrication d'un échantillon d'élément composite renforcé de fibres dans une direction à l'extérieur du plan de fibres principal. L'échantillon d'élément composite renforcé de fibres présente en particulier un échantillon de semi-produit fibreux infiltré avec une résine de 25 matrice: L'échantillon d'élément composite renforcé de fibres est obtenu à partir de l'échantillon de semi-produit fibreux avec la résine de matrice infiltrée, par durcissement de la résine de matrice, la déformation pendant le processus de fabrication étant déterminée dans une direction à l'extérieur du plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux. La déformation peut par 30 exemple être déterminée à l'aide d'un dispositif de mesure. A partir de cette déformation déterminée par expérimentation à l'aide d'un échantillon de semi-produit fibreux, on détermine au moins un paramètre d'allongement, lequel peut par exemple être calculé à l'aide d'une unité d'évaluation à partir de la déformation déterminée par expérimentation. La déformation à prévoir lors de la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres est ensuite calculée à l'aide d'une unité de calcul en fonction de la forme de l'élément composite renforcé de fibres à fabriquer et de l'au moins un paramètre d'allongement déterminé. Le calcul de la déformation à prévoir peut être réalisé par exemple à l'aide d'un programme de simulation en se basant sur des procédés numériques de simulation de solide tels que des méthodes des éléments finis classiques. Le procédé selon l'invention permet de déterminer des déformations survenant lors de la fabrication d'éléments composites renforcés de fibres dès le processus de conception, et de les prendre en considération dans la conception de l'élément ainsi que dans la forme à donner à l'élément. La fabrication de prototypes très coûteux n'est donc plus nécessaire. En outre, le risque de perte de savoir-faire en raison du départ des personnes impliquées est fortement réduit tout en garantissant une reproductibilité à 100 %, 20 contrairement aux valeurs obtenues par expérience. Les inventeurs ont compris que les déformations dues à la fabrication doivent être imputées en particulier au comportement anisotrope des matériaux du composite dans son intégralité. Il s'est avéré qu'une déformation dirigée vers 25 l'extérieur du plan de fibres principal, par exemple une déformation dans le sens de l'épaisseur de l'échantillon de semi-produit fibreux, dépasse nettement l'allongement dans le plan du stratifié dominé par les fibres et ainsi détermine de façon essentielle l'effet des déformations dues à la fabrication. La détection de la déformation dans une direction à l'extérieur du plan de fibres principal permet 30 ainsi de conclure de manière fiable à une déformation à prévoir lors de la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres car cette déformation, comme les inventeurs l'ont compris, contribue de manière essentielle à la déformation à prévoir. Il est tout particulièrement avantageux de déterminer la déformation orthogonalement au plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit 5 fibreux, de façon à déterminer une déformation dans le sens de l'épaisseur de l'échantillon de l'élément composite renforcé de fibres. Un autre avantage consiste à utiliser un échantillon de semi-produit fibreux relativement petit avec de la résine de matrice infiltrée pour constater ou 10 déterminer la déformation afin de relever les données nécessaires. L'utilisation d'échantillons de semi-produits fibreux relativement petits et la mesure de la déformation orthogonalement au plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux entraînent une installation simple sensiblement plus économique que la fabrication d'un prototype complet. 15 On utilise avantageusement, pour l'échantillon de semi-produit fibreux et la résine de matrice infiltrée, des matériaux qui doivent également être employés lors de la fabrication du futur élément composite renforcé de fibres. Par exemple, il est concevable de découper dans les préimprégnés des petits morceaux qui 20 servent ensuite d'échantillon de semi-produit fibreux pour la fabrication de l'échantillon d'élément composite renforcé de fibres. En outre, il est tout particulièrement avantageux si, pour la dimension de l'échantillon de semi-produit fibreux orthogonalement au plan de fibre principal, 25 on utilise des dimensions qui correspondent à celles du futur élément composite renforcé de fibres à fabriquer. Les données déterminées sont ainsi plus faciles à transposer à l'élément composite renforcé de fibres à fabriquer. En variante ou en outre, il est concevable de mettre en outre le paramètre d'allongement en rapport avec l'épaisseur de l'échantillon de semi-produit fibreux utilisé lors de la 30 détermination de l'au moins un paramètre d'allongement en ce qui concerne l'allongement de l'échantillon de semi-produit fibreux orthogonalement au plan de fibres principal à partir de la déformation déterminée par expérimentation.
En outre, il est tout particulièrement avantageux si, pour la détermination expérimentale de la déformation par le dispositif de mesure : l'échantillon de semi-produit fibreux est introduit dans le dispositif de mesure, l'échantillon de semi-produit fibreux introduit et infiltré avec la résine de matrice est durci par application de pression et/ou de température pour la fabrication de l'échantillon d'élément composite renforcé de fibres, et - la déformation est mesurée dans la direction correspondante pendant le durcissement. Le dispositif de mesure peut par exemple être un appareil destiné à l'analyse thermomécanique de matériaux, des couches de stratifié de préimprégné non durcies étant placées dans l'appareil entre deux plaquettes de verre de silice correspondantes. Sous l'effet de la température, l'échantillon de semi-produit fibreux est durci. Pendant l'intégralité du processus de durcissement, la déformation est détectée orthogonalement au plan de fibres principal, soit dans cet exemple, dans le sens de l'épaisseur. Des profils de température peuvent être utilisés pendant le processus de durcissement, tout comme ils sont utilisés habituellement lors de la fabrication de l'élément de semi-produit fibreux proprement dit. Les données obtenues sont ainsi plus représentatives. En outre, il est tout particulièrement avantageux si l'étape a) du procédé selon l'invention est répétée plusieurs fois avec des échantillons de semi-produit fibreux correspondants et si l'au moins un paramètre d'allongement est déterminé à partir de la pluralité de déformations déterminées par expérimentation à partir des échantillons de semi-produit fibreux respectifs. Ceci permet d'éliminer les fluctuations expérimentales en faisant une moyenne.
Il est par ailleurs tout particulièrement avantageux que les différentes déformations déterminées par expérimentation ou profils de déformation soient normalisés sur un point de gélification commun dans le profil de déformation respectif. Lorsque ledit point de gélification est atteint, la résine de matrice est en mesure de transmettre des charges mécaniques de grandeur significative. Pour cette raison, c'est le point à partir duquel des retraits chimiques et tassements thermiques de la résine de matrice entraînent des inclusions de tensions durables, qui s'expriment en déformations correspondantes après le formage définitif. Une normalisation des différents profils de déformation sur ce point de gélification entraîne ainsi un résultat de données plus précis.
En outre, il est tout particulièrement avantageux si au moins un paramètre d'allongement est déterminé pour des procédés numériques de simulation de solide, notamment pour des méthodes des éléments finis, par exemple par l'unité de calcul, les déformations à prévoir étant calculées à l'aide du procédé numérique de simulation de solide par l'unité de calcul. Les paramètres d'allongement déterminés s'insèrent ainsi directement dans le calcul de la simulation de solide. Ceci permet de reconnaître dès le processus de conception l'endroit où des déformations peuvent éventuellement se produire. Celles-ci peuvent alors être prises en considération par avance durant l'ensemble du processus de conception.
Il est tout particulièrement avantageux si le moule pour la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres est déterminé et fabriqué en fonction de la forme de l'élément composite renforcé de fibres et de la déformation à prévoir, de sorte qu'après le formage définitif de l'élément composite renforcé de fibres durci, la forme de l'élément vraiment souhaitée apparaisse à partir de la forme de l'outil et de la déformation consécutive due aux inclusions de tensions pendant la fabrication. La présente invention est expliquée en détail à titre d'exemple à l'aide des dessins joints présentant : Figure 1 une représentation schématique de la détermination expérimentale d'une déformation ; Figure 2 une représentation schématique de la modification d'épaisseur enregistrée ainsi que du profil de température ; Figure 3 une représentation schématique d'une déformation à prévoir aprèsle formage définitif. La figure 1 représente schématiquement la détermination expérimentale d'une 10 déformation d'un échantillon de semi-produit fibreux 1. Concernant l'échantillon de semi-produit fibreux 1, il s'agit d'un préimprégné, c'est-à-dire que le semi-produit fibreux est déjà préimprégné et infiltré avec une résine de matrice. L'échantillon de semi-produit fibreux 1 est introduit dans un dispositif de mesure 2 qui se compose d'une chambre de température 3 et d'un fond 4. 15 L'échantillon de semi-produit 1 est serré entre deux plaquettes de verre de silice 5, la déformation pouvant être déterminée orthogonalement au plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux 1 à l'aide du dispositif de mesure 2. 20 Sous application de la température 3 avec un profil de température correspondant, réalisée comme en vue du durcissement pour la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres correspondant, l'échantillon d'élément composite renforcé de fibres apparaît à la fin du processus de durcissement à partir de l'échantillon de semi-produit fibreux 1. La déformation apparue, 25 mesurée orthogonalement au plan de fibres principal de l'échantillon de semi- produit fibreux 1 (caractérisé par la référence 6) est enregistrée, et de ce profil de déformation, comme représenté par exemple sur la figure 2, on peut déduire un paramètre d'allongement correspondant destiné à des procédés numériques de simulation de solides. 30 La figure 2 représente schématiquement dans un diagramme le profil de température dans la chambre de température 3 pendant la fabrication de l'échantillon d'élément composite renforcé de fibres à partir de l'échantillon de semi-produit fibreux 1, ainsi que le profil de déformation enregistré dans le sens de l'épaisseur 6 (orthogonalement au plan de fibres principal). Comme on peut le reconnaître, le profil de température présente deux niveaux (ligne en pointillés) comme on le fait souvent en vue du durcissement pour les éléments composites renforcés de fibres typiques de l'aéronautique. La ligne continue correspond au profil de déformation. Il apparaît clairement qu'un allongement ou un tassement de plus de 6 % se produit orthogonalement au plan de fibres principal. Ce profil de déformation ou la déformation du petit corps d'échantillon 1 permet de déterminer un paramètre d'allongement qui peut servir au calcul d'une déformation à prévoir lors de la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres proprement dit. Des résultats de mesure ont révélé que, pour des stratifications identiques, les déformations sont absolument reproductibles, de sorte que la déformation à prévoir peut être calculée au préalable avec une grande précision. En outre, le procédé permet également d'évaluer les fluctuations à prévoir pour les déformations de fabrication, car celles-ci peuvent se retrouver dans les résultats de mesure enregistrés.
La figure 3 représente schématiquement un profilé en C dans une vue de côté, pour lequel la déformation à prévoir a été calculée au préalable en se basant sur le procédé précité. Le profilé en C caractérisé par la référence 10 constitue le semi-produit fibreux de conception, dont la forme est prédéfinie. Le profilé en C caractérisé par la référence 11 représente la déformation à prévoir après la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres. Il est nettement reconnaissable que les ailes du profilé en C sont ramenées l'une vers l'autre par les inclusions de tensions dues à la déformation dans le sens de l'épaisseur.
Sur la base de la connaissance de la déformation à prévoir, l'outil peut maintenant être formé pour la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres de sorte que, après le formage définitif, il résulte à partir de l'outil la forme d'élément du semi-produit fibreux prédéfini 10.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé pour déterminer une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres (10) qu'il s'agit d'obtenir à partir d'un semi-produit fibreux en association avec une résine de matrice, caractérisé par les étapes suivantes : a) lors de la fabrication d'un échantillon d'élément composite renforcé de fibres à partir d'un échantillon de semi-produit fibreux (1) infiltré avec la résine de matrice, détermination expérimentale d'une déformation dans une direction (6) à l'extérieur d'un plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux (1), à l'aide d'un dispositif de mesure (2), b) détermination d'au moins un paramètre d'allongement à partir de la déformation déterminée par expérimentation, et calcul, par une unité de calcul (7), d'une déformation à prévoir lors de la fabrication d'un élément composite renforcé de fibres (10) en fonction d'une forme de l'élément composite renforcé de fibres à fabriquer (10) et d'au moins l'un des paramètres d'allongement déterminés.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déformation est déterminée orthogonalement au plan de fibres principal de l'échantillon de semi-produit fibreux (1).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour la détermination expérimentale de la déformation par le dispositif de mesure - l'échantillon de semi-produit fibreux est introduit dans le dispositif de mesure, l'échantillon de semi-produit fibreux introduit et infiltré avec la résine de matrice est durci par application de pression et/ou de température pour la fabrication de l'échantillon d'élément composite renforcé de fibres, ella déformation est mesurée dans la direction correspondante pendant le durcissement.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la répétition multiple de l'étape a) avec des échantillons de semi-produit fibreux correspondants et la détermination de l'au moins un paramètre d'allongement à partir de la pluralité de déformations déterminées par expérimentation. 10
  5. 5. 15
  6. 6. 20
  7. 7. 25 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les déformations déterminées à partir de la réalisation de l'étape a) sont normalisées sur un point de gélification commun dans le profil de déformation respectif et l'au moins un paramètre d'allongement est ensuite déterminé à partir des profils des déformations normalisés chacun sur le point de gélification. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la détermination d'au moins un paramètre d'allongement pour des procédés numériques de simulation de solide, en particulier pour des méthodes des éléments finis, et par le calcul de la déformation à prévoir à l'aide du procédé numérique de simulation de solide par l'unité de calcul. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par la détermination d'un moule pour la fabrication de l'élément composite renforcé de fibres en fonction de la forme de l'élément composite renforcé de fibres et de la déformation à prévoir.
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