FR2993815A1

FR2993815A1 - Procede de realisation d'une preforme fibreuse par enroulement

Info

Publication number: FR2993815A1
Application number: FR1257374A
Authority: FR
Inventors: Erwan Camus
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-01-31
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: FR2993815B1

Abstract

Procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de renfort d'une pièce en matériau composite comprenant le tissage en une seule pièce par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils en matériau non aimantable d'une texture fibreuse (100) en forme de bande et l'enroulement de ladite texture sur un outillage de support (120). Conformément à l'invention, la texture fibreuse (100) comprend des portions de maintien en position (110) dont au moins une partie des fils sont en matériau aimantable tandis que l'outillage de support (120) comprend au moins un électroaimant (123). Le procédé comprend une étape de positionnement d'une portion de maintien (110) sur l'outillage de support (120) au niveau de l'électroaimant (123) et une étape d'activation de l'électroaimant de manière à maintenir en position la texture fibreuse (100) sur l'outillage (120).

Description

993 815 1 PROCÉDÉ DE RÉALISATION D'UNE PRÉFORME FIBREUSE PAR ENROULEMENT Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la réalisation de pièces en matériau composite et plus particulièrement la réalisation par enroulement de préformes fibreuses destinées à la fabrication de telles pièces.

Un domaine d'application de l'invention est plus particulièrement la réalisation de pièces en matériau composite structural, c'est-à-dire des pièces de structure à renfort fibreux et densifié par une matrice. Les matériaux composites permettent de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique. Dans le cas d'une pièce de forme de révolution, comme par exemple un carter de moteur d'avion, la préforme fibreuse destinée à former le renfort de la pièce est réalisée à partir d'une structure fibreuse enroulée sur un outillage de support. Plus précisément, telle qu'illustrée sur les figures lA et 1B, l'extrémité libre 11 d'une texture fibreuse 10, réalisée sous forme de bande et stockée sur une bobine 30, est maintenue sur le mandrin 21 d'un outillage de support 20 au moyen d'un patin 22. Avant de débuter l'enroulement de la texture 10 sur l'outillage 20, une couche d'agent adhésif 23 est déposée sur la surface externe du mandrin 21 sur laquelle la texture 10 va être enroulée. A la fin du premier tour d'enroulement, comme illustré sur la figure 2, il est nécessaire de retirer le patin 22 afin de pouvoir réaliser un deuxième tour d'enroulement. A la fin de l'enroulement, c'est-à-dire après la réalisation de plusieurs tours de la texture fibreuse 10 sur l'outillage 20, le patin 22 est de nouveau positionné afin de maintenir la texture lors de sa découpe par un couteau 24 comme illustré sur la figure 3. Une fois la préforme ainsi réalisée, on positionne des secteurs d'injection (non représentés sur la figure 3) autour du moule 20 afin d'imprégner la préforme avec une résine précurseur de la matrice. Cette solution d'enroulement présente des inconvénients. En effet, l'utilisation d'un patin qui doit être positionné et retiré plusieurs fois durant l'enroulement ainsi que la formation d'une couche d'agent adhésif ralentissent le procédé d'enroulement. En outre, malgré la présence de l'agent adhésif, le non-glissement de la texture lors du passage du premier au second tour ne peut être garanti en raison du retrait du patin à ce moment de l'enroulement. Par ailleurs, après la découpe de la texture et lors de la mise en place des secteurs d'injection, la préforme n'est plus maintenue physiquement sur l'outillage de support et peut ainsi se déplacer par rapport à sa position de maintien.

Objet et résumé de l'invention Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'une solution pour réaliser des préformes fibreuses par enroulement qui ne présente pas les inconvénients précités.

A cet effet, selon l'invention, il est proposé un procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de renfort d'une pièce en matériau composite comprenant le tissage en une seule pièce par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils en matériau non aimantable d'une texture fibreuse en forme de bande et l'enroulement de ladite texture sur un outillage de support, caractérisé en ce que la texture fibreuse comprend au moins une portion de maintien en position dont au moins une partie des fils sont en matériau aimantable et en ce que l'outillage de support comprend au moins un électroaimant, le procédé comprenant en outre une étape de positionnement de ladite au moins portion de maintien sur l'outillage de support au niveau dudit au moins un électroaimant et une étape d'activation de l'électroaimant de manière à maintenir en position la texture fibreuse sur l'outillage. Ainsi, en combinant l'utilisation d'un outillage de support muni d'au moins un électroaimant et d'une texture fibreuse comportant une ou plusieurs portions de maintien comprenant des fils aimantables, il est possible d'enrouler la texture sur l'outillage tout en maintenant cette dernière en position, et ce sans utiliser de système mécanique de maintien tel que le patin décrit précédemment qui demande plusieurs manipulations au cours de l'enroulement. En outre, le procédé de réalisation d'une préforme fibreuse selon l'invention permet d'éviter l'utilisation d'un agent adhésif qui peut poser des problèmes de compatibilité chimique avec la résine utilisée lors de la densification de la préforme comme la formation de porosités ou un manque d'adhésion de la résine sur les fibres de la préforme exposées à l'agent adhésif.

Avec le procédé de l'invention, la fabrication de préformes fibreuses par enroulement est grandement simplifiée et accélérée. Selon un premier aspect du procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention, lors du tissage de la texture fibreuse, des fils en matériau métallique aimantable sont substitués à au moins une partie des fils en matériau non aimantable dans chaque portion de maintien. Selon un deuxième aspect du procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention, la texture fibreuse est obtenue par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne en matériau non aimantable et une pluralité de couches de fils de trame en matériau non aimantable. Lors du tissage de ladite texture, des fils en matériau métallique aimantable sont substitués à au moins une partie des fils de trame en matériau non aimantable dans chaque portion de maintien. Selon un troisième aspect du procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention, la texture fibreuse comporte une première extrémité libre comprenant une portion de maintien, ladite première extrémité libre étant positionnée au niveau d'un électroaimant de l'outillage de support au début de l'enroulement de la texture fibreuse sur ledit outillage, l'électroaimant étant activé après le positionnement de ladite première extrémité.

Selon un quatrième aspect du procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention, la texture fibreuse comprend une pluralité de portions de maintien espacées les unes des autres d'une longueur correspondant au périmètre d'enroulement de la texture sur l'outillage.

Selon un cinquième aspect du procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention, en fin d'enroulement, la texture fibreuse est découpée au voisinage d'une portion de maintien maintenue en position par un électroaimant de l'outillage de support. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de structure en matériau composite caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'une préforme fibreuse conformément au procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de l'invention. Selon un aspect du procédé de réalisation d'une pièce de structure en matériau composite de l'invention, la densification de la préforme fibreuse comprend l'injection d'une résine dans ladite préforme et la polymérisation de la résine. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : les figures 1A, 1B, 2 et 3 sont des vues en coupe montrant la réalisation d'une préforme fibreuse par enroulement selon l'art antérieur, la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une structure fibreuse conformément à un mode de réalisation de l'invention, - les figures 5 à 7 sont des vue en coupe montrant la formation d'une préforme fibreuse par enroulement de la texture fibreuse 20 de la figure 4 sur un outillage de support conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 8 est une vue en coupe montrant le positionnement de secteurs d'injection sur la préforme fibreuse de la figure 7, - la figure 9 est une vue en perspective d'un carter de moteur 25 d'avion. Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de 30 préformes fibreuses par enroulement, ces préformes étant aptes à constituer des renforts fibreux pour la fabrication de pièces en matériau composite tels que des carters pour moteur d'avion comme par exemple des carters de soufflante. Conformément à l'invention et comme décrit ci-après en détail, la 35 présente invention propose une utilisation combinée d'une texture fibreuse comportant au moins une portion de maintien comprenant des fils en 2 993 8 1 5 5 matériau aimantable avec un outillage de support équipé d'au moins un électroaimant pour assurer le maintien en position de la texture lors de son enroulement sur l'outillage. La réalisation de la préforme fibreuse débute par la formation d'une 5 texture fibreuse sous forme d'une bande. La figure 4 montre très schématiquement une structure fibreuse 100 tissée sous forme d'une bande destinée à former une préforme fibreuse d'un carter de moteur d'avion. La structure fibreuse 100 est obtenue, comme illustrée 10 schématiquement sur la figure 4, par tissage multicouche réalisé de façon connue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes 101 ou torons en une pluralité de couches, les fils de chaînes étant liés par des fils de trame 102. Dans l'exemple illustré, le tissage multicouche est un tissage à 15 armure "interlock". Par tissage "interlock", on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. D'autres types de tissage multicouche connus pourront être utilisés, 20 comme notamment ceux décrits dans le document WO 2006/136755. L'ébauche fibreuse selon l'invention est principalement tissée à partir de fils de fibre en matériau non aimantable tels que notamment, mais non exclusivement, des fils de fibres de carbone, de céramique tel que du carbure de silicium, ou encore de verre. 25 Dans l'exemple décrit ici, la structure fibreuse 100 comporte plusieurs portions de maintien 110 espacées les unes des autres d'une longueur L correspondant au périmètre de l'outillage sur lequel la texture doit être enroulée. Dans chaque portion de maintien 110, des fils de trame 102 ont été remplacés par des fils en matériau métallique « aimantable » 30 111, c'est-à-dire des fils aptes à être attirés par un champ électromagnétique. Les fils 111 peuvent être notamment réalisés en fer, cobalt ou nickel, ou en un alliage d'un de ces métaux. Dans chaque portion de maintien, tout ou partie des fils non-métalliques 102 peuvent être remplacés par des fils métalliques 35 aimantables 111. On peut, par exemple, réaliser certaines couches de fils 2 993 815 6 de trame avec des fils métalliques 111 tandis que les autres couches de fils de trame sont réalisées avec des fils non aimantables 102. Une fois la texture fibreuse 100 réalisée, celle-ci est mise en forme par enroulement sur un outillage de support. A cet effet et comme 5 illustrée sur la figure 5, on utilise un outillage de support 120 comprenant un mandrin 121 sur lequel la structure fibreuse 100, stockée sur une bobine 130, est destinée à être enroulée. L'outillage de support 120 comprend un électroaimant 123 disposé au voisinage de la surface externe 121a du mandrin 121, l'électroaimant étant relié à des moyens de 10 commande (non représentés sur la figure 5) permettant d'activer et de désactiver ce dernier. Selon une variante de réalisation de l'outillage de support, celui-ci comprend plusieurs électroaimants répartis de manière circonférentielle sous la surface externe 121a du mandrin 121. La figure 5 représente la première étape de l'enroulement de la 15 texture fibreuse 100 qui consiste à positionner l'extrémité libre 100a de la texture fibreuse comportant une première portion de maintien 110 sur le mandrin 121 au niveau de l'électroaimant 123. Une fois l'extrémité 100a correctement positionnée, l'électroaimant 123 est activé afin de maintenir la texture fibreuse en position.

Comme illustré sur la figure 6, l'outillage de support 120 est alors mis en rotation afin de procéder à l'enroulement de la texture 100 sur le mandrin 123. Sur la figure 6, un premier tour de la texture 100 a été enroulé sur le mandrin 121. Dans l'exemple décrit ici, la texture fibreuse 100 comprend plusieurs portions de maintien 110 espacées les unes des autres d'une longueur correspondant au périmètre du mandrin 121. Ainsi, à la fin du premier tour d'enroulement, une deuxième portion de maintien 110 vient se positionner au-dessus de l'électroaimant 123. L'électroaimant étant toujours activé, cette deuxième portion de maintien 110 participe alors au maintien en position de la texture 100.

La figure 7 montre la fin de l'enroulement qui dans l'exemple décrit ici intervient après deux tours de la texture 100 sur le mandrin 121. Une troisième portion de maintien 110 est alors positionnée au-dessus de l'électroaimant 123. L'électroaimant permet également de maintenir la texture fibreuse 100 en position en fin d'enroulement afin de permettre sa découpe, ici réalisée avec un couteau 124.

Comme illustré sur la figure 8, on obtient ainsi une préforme fibreuse 200 qui est maintenue en place par l'électroaimant 123 lors de la mise en place de secteurs 125 formant un contre-moule pour l'injection d'un précurseur de matrice lors de la densification de la préforme par une matrice. La densification de la préforme fibreuse consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. La matrice peut être obtenue de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide. Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur organique du matériau de la matrice. Le précurseur organique se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. La préforme est ici placée entre une pluralité de secteurs 125 formant moule et le mandrin 121 de l'outillage de support 120 formant contre-moule, ces éléments présentant respectivement la forme extérieure et la forme intérieure du carter à réaliser. Ensuite, on injecte le précurseur liquide de matrice, par exemple une résine, dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme. La transformation du précurseur en matrice organique, à savoir sa polymérisation, est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser. La matrice organique peut être notamment obtenue à partir de résines époxydes, telle que, par exemple, la résine époxyde à hautes performances vendue, ou de précurseurs liquides de matrices carbone ou céramique. Dans le cas de la formation d'une matrice carbone ou céramique, le traitement thermique consiste à pyrolyser le précurseur organique pour transformer la matrice organique en une matrice carbone ou céramique selon le précurseur utilisé et les conditions de pyrolyse. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de carbone peuvent être des résines à taux de coke relativement élevé, telles que des résines phénoliques, tandis que des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité. Selon un aspect de l'invention, la densification de la préforme fibreuse peut être réalisée par le procédé bien connu de moulage par transfert dit RTM ("Resin Transfert Moulding"). Conformément au procédé RTM, on place la préforme fibreuse dans un moule présentant la forme extérieure du carter à réaliser. Une résine thermodurcissable est injectée dans l'espace interne délimité entre la pièce en matériau rigide et le moule et qui comprend la préforme fibreuse. Un gradient de pression est généralement établi dans cet espace interne entre l'endroit où est injecté la résine et les orifices d'évacuation de cette dernière afin de contrôler et d'optimiser l'imprégnation de la préforme par la résine. La résine utilisée peut être, par exemple, une résine époxyde. Les résines adaptées pour les procédés RTM sont bien connues. Elles présentent de préférence une faible viscosité pour faciliter leur injection dans les fibres. Le choix de la classe de température et/ou la nature chimique de la résine est déterminé en fonction des sollicitations thermomécaniques auxquelles doit être soumise la pièce. Une fois la résine injectée dans tout le renfort, on procède à sa polymérisation par traitement thermique conformément au procédé RTM. Après l'injection et la polymérisation, la pièce est démoulée. Au final, la pièce est détourée pour enlever l'excès de résine et les chanfreins sont usinés pour obtenir un carter 300 illustré en figure 9. La forme et les dimensions des pièces en matériau composite réalisées avec la structure fibreuse de l'invention peuvent être variées et ne pas se limiter notamment à des carters mais à tout autre type de pièces en matériau composite qui peuvent être obtenues à partir d'une préforme réalisée par enroulement d'une texture fibreuse.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une préforme fibreuse (200) de renfort d'une pièce en matériau composite (300) comprenant le tissage en une seule pièce par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils (101, 102) en matériau non aimantable d'une texture fibreuse (100) en forme de bande et l'enroulement de ladite texture sur un outillage de support (120), caractérisé en ce que la texture fibreuse (100) comprend au moins une portion de maintien en position (110) dont au moins une partie des fils (111) sont en matériau aimantable et en ce que l'outillage de support (120) comprend au moins un électroaimant (123), le procédé comprenant en outre une étape de positionnement de ladite au moins portion de maintien (110) sur l'outillage de support (120) au niveau dudit au moins un électroaimant (123) et une étape d'activation de l'électroaimant de manière à maintenir en position la texture fibreuse (100) sur l'outillage (120).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors du tissage de la texture fibreuse (100), des fils en matériau métallique aimantable sont substitués à au moins une partie des fils (102) en matériau non aimantable dans chaque portion de maintien (110).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la texture fibreuse (100) est obtenue par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne (101) en matériau non aimantable et une pluralité de couches de fils de trame (102) en matériau non aimantable et en ce que, lors du tissage de ladite texture (100), des fils (111) en matériau métallique aimantable sont substitués à au moins une partie des fils de trame (102) en matériau non aimantable dans chaque portion de maintien (110).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la texture fibreuse (100) comporte une première extrémité libre (100a) comprenant une portion de maintien (110), ladite première extrémité libre étant positionnée au niveau d'un électroaimant 2 993 815 10 (123) de l'outillage de support (120) au début de l'enroulement de la texture fibreuse sur ledit outillage, l'électroaimant (123) étant activé après le positionnement de ladite première extrémité (100a). 5
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la texture fibreuse (100) comprend une pluralité de portions de maintien (110) espacées les unes des autres d'une longueur (L) correspondant au périmètre d'enroulement de la texture sur l'outillage. 10
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en fin d'enroulement, la texture fibreuse (100) est découpée au voisinage d'une portion de maintien (110) maintenue en position par un électroaimant (123) de l'outillage de support (120). 15
7. Procédé de réalisation d'une pièce de structure (300) en matériau composite caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'une préforme fibreuse (200) conformément au procédé de réalisation d'une préforme fibreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et la densification de ladite préforme (200). 20
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la densification de la préforme fibreuse (200) comprend l'injection d'une résine dans ladite préforme et la polymérisation de la résine. 25