FR3084893A1 - Conformateur a structure en reseau alveolaire pour la densification d’une preforme fibreuse par voie gazeuse - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un outillage (1) pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage (1) comprenant au moins une paroi (2) qui comprend un logement (3) destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi (2) présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz.
Description
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièce composite à matrice céramique (CMC), et particulièrement de la fabrication par infiltration chimique en phase vapeur (CVI pour « Chemical Vapor Infiltration » selon la terminologie anglosaxonne).
Il est connu de fabriquer une pièce composite à matrice céramique (CMC) par infiltration chimique en phase vapeur (CVI), notamment pour une pièce d'aéronef.
Pour ce faire, comme cela est illustré sur la figure 1, une préforme fibreuse 10' est disposée à l'intérieur d'un logement formé à l'intérieur d'un outillage 20', appelé conformateur, qui est généralement en graphite, afin de maintenir ladite préforme fibreuse 10' dans la forme désirée pour que la pièce finale possède la forme souhaitée.
Un gaz 30' comprenant un précurseur du matériau de la matrice céramique est ensuite injecté dans l'outillage 20', et ledit outillage 20' est chauffé, généralement à des températures pouvant atteindre les 1100°C.
Afin de faire pénétrer le gaz 30' à l'intérieur de l'outillage 20' de sorte que ledit gaz 30' puisse atteindre la préforme fibreuse 10', des perçages 21' sont réalisés dans ledit outillage 20' par usinage.
De plus, afin d'améliorer la circulation du gaz à l'intérieur du conformateur dans le but d'améliorer l'homogénéité de la matrice dans la pièce finale, des rainures sont formées dans le conformateur par usinage.
Toutefois, ces opérations d'usinage pour réaliser les perçages et les rainures dans le conformateur sont des opérations complexes et longues à réaliser.
De plus, il est également souhaité d'améliorer l'homogénéité de la matrice des pièces CMC.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but de simplifier la fabrication de pièces composite à matrice céramique par infiltration chimique en phase vapeur.
De plus, la présente invention a pour but d'améliorer l'homogénéité de la matrice de la pièce fabriquée par infiltration chimique en phase gazeuse.
Selon un premier aspect, l'invention propose un outillage pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage comprenant au moins une paroi comprenant un logement destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz.
Par structure en réseau alvéolaire on désigne ici une structure formée par une pluralité d'alvéoles qui sont reliées entre elles, les alvéoles pouvant avoir une forme régulière, ou bien une forme irrégulière. Par ailleurs, le fait que les alvéoles possèdent une forme régulière ou irrégulière peut évoluer le long de la paroi.
Une telle structure en réseau alvéolaire permet d'obtenir un outillage poreux, de sorte que le gaz peut facilement circuler à l'intérieur dudit outillage afin de plus facilement atteindre la préforme fibreuse, et ainsi améliorer l'homogénéité du dépôt de la matrice au sein de ladite préforme fibreuse.
De plus, une telle structure en treillis permet de se dispenser des complexes opérations d'usinage pour former les perçages et les rainures dans l'outillage.
L'outillage peut également comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison selon les possibilités techniques :
- la paroi comprend une porosité supérieure à 15% ;
- la paroi comprend une première surface d'injection définissant le logement et comprenant une pluralité de premiers orifices d'injection du gaz ayant une première taille et qui sont répartis selon une première densité sur ladite première surface d'injection, ladite paroi comprenant également une deuxième surface d'injection située sur l'extérieur de la paroi qui comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection du gaz ayant une deuxième taille et qui sont répartis selon une deuxième densité sur ladite deuxième surface d'injection, la première taille étant inférieure à la deuxième taille et la première densité étant supérieure à la deuxième densité ;
- la structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant situé au centre d'un premier motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent supérieur et au centre d'un deuxième motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent inférieur, chaque point étant relié par une tige aux points les plus proches du plan adjacent supérieur et aux points les plus proches du plan adjacent inférieur ;
- le premier motif et le deuxième motif sont des carrés ;
- la paroi est en céramique ;
- la paroi comprend du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium ;
- la paroi comprend une deuxième surface d'injection située sur l'extérieur de la paroi qui est recouverte par une coque étanche à un gaz, au moins un canal d'injection étant formé dans la coque étanche pour l'injection du gaz dans la paroi ;
- l'outillage est formé par deux demi-parois amovibles qui définissent chacune une portion du logement ;
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un ensemble pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprenant au moins un outillage selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, un four dans lequel est situé chaque l'outillage, et une source de gaz configurée pour injecter le gaz à l'intérieur du four.
Selon une caractéristique possible, la source de gaz est connectée audit au moins un canal d'injection de la coque de chaque outillage.
Selon un troisième aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'un outillage selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, dans lequel l'outillage est fabriqué par fabrication additive.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 représente une vue schématique d'un outillage selon l'état de la technique ;
- la figure 2 représente schématiquement une vue de face d'une demi-structure en réseau alvéolaire d'un outillage pour la densification d'une préforme fibreuse ;
- la figure 3a représente une vue détaillée d'une variante possible d'une première surface d'injection d'une structure en réseau alvéolaire ;
- la figure 3b représente une vue détaillée d'une autre variante possible de la première surface d'injection d'une structure en réseau alvéolaire ;
- la figure 4 représente une variante possible dans lequel l'outillage comprend une coque étanche au gaz ;
- la figure 5 représente une variante dans laquelle la structure en réseau alvéolaire est formée par des alvéoles de forme irrégulière ;
- les figures 6a-6c représentent des variantes de structures alvéolaires formées par des alvéoles régulières ;
- les figures 7a-7c représentent des variantes de formes d'alvéoles régulières pour une structure alvéolaire.
Description détaillée de l'invention
Comme représenté sur la figure 2, un outillage 1, également appelé conformateur, pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprend une paroi 2 qui comprend un logement 3 interne dans lequel la préforme fibreuse est installée afin d'être densifiée. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le logement 3 permet de fabriquer une plaque, cependant le logement 3 peut comprendre une forme différente suivant la forme de la pièce à fabriquer. Notamment, selon une variante avantageuse pour la fabrication d'un anneau de turbine, le logement 3 possède une forme de π (Pi).
Une fois la préforme fibreuse installée dans le logement 3 de l'outillage 1, ledit outillage 1 est disposé dans un four afin d'amener la préforme fibreuse à des températures par exemple comprises entre 900°C et 1100°C. Un gaz comprenant une phase gazeuse du matériau de la matrice ou d'un précurseur du matériau de la matrice est ensuite injecté dans le four. Une pluralité d'outillages 1 peut être installée simultanément dans le four.
Afin de permettre la circulation du gaz au travers de la paroi afin d'atteindre la préforme fibreuse et ainsi former la matrice dans la porosité inter-fibres de la préforme fibreuse, la paroi 2 présente une structure en réseau alvéolaire (« lattice » selon la terminologie anglo-saxonne) qui définit une pluralité de canaux d'injection de gaz.
Le fait que la paroi 2 présente une structure en réseau alvéolaire permet à ladite paroi 2 d'avoir une porosité supérieure à 15%, améliorant ainsi la circulation de gaz au travers de la paroi 2. De manière avantageuse, la porosité de la paroi 2 est supérieure à 25%, afin d'améliorer d'avantage la circulation du gaz dans la paroi 2. De manière encore avantageuse, la porosité est comprise entre 40% et 60%, afin d'assurer un bon compromis entre la bonne circulation du gaz dans la paroi 2 et la résistance de ladite paroi 2.
La structure alvéolaire peut être formée par une pluralité d'alvéoles régulières qui forment un motif élémentaire qui est répété le long de ladite structure alvéolaire. Les figures 6a, 6b et 6c représentent des exemples possibles de structures alvéolaires formées par des alvéoles régulières qui forment un motif élémentaire répétés le long desdits structures. Les figures 7a, 7b et 7c, représentent des exemples possibles d'alvéoles régulières qui forment chacune un motif élémentaire qui peut être répété pour former la structure alvéolaire.
Par ailleurs, la structure alvéolaire peut être formée par plusieurs groupes d'alvéoles régulières, les alvéoles régulières de chaque groupe possédant des formes différentes, de manière à former ladite structure alvéolaire à partir de plusieurs motifs élémentaires.
La structure alvéolaire peut également être formée par des alvéoles irrégulières qui possèdent des formes différentes, comme cela est par exemple illustré sur la figure 5. Contrairement aux alvéoles régulières, les alvéoles irrégulières ne forment pas un motif élémentaire qui est répété afin de former la structure alvéolaire.
La structure alvéolaire peut également être formée à la fois par des alvéoles régulières et des alvéoles irrégulières.
Une telle structure en réseau alvéolaire est fabriquée par fabrication additive.
Comme cela est illustré sur les figures 3a et b, selon une variante possible d'une structure en réseau alvéolaire formée par des alvéoles régulières, ladite structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant relié par une tige à des points situés sur un plan adjacent supérieur et à des points situés sur un plan adjacent inférieur. Les canaux d'injection du gaz sont formés par les espaces entre les tiges. Le maillage des points sur les plans peut être réalisé suivant différents motifs possibles. Les points peuvent par exemple être répartis sur les plans de manière à former des quadrilatères, et notamment des carrés, ou bien des triangles, et notamment des triangles équilatéraux, ou bien encore par exemple des hexagones réguliers. D'autres formes pour le motif de maillage sont également possibles, comme par exemple des motifs non réglés. La forme en carrée du maillage des points assure un bon compromis entre la tenue mécanique de l'outillage, la facilité de circulation du gaz à l'intérieur de la paroi 2, et la surface d'échange entre l'outillage et le gaz.
Une telle structure en treillis, formée par des tiges reliant des points offre une bonne porosité tout en assurant une bonne tenue mécanique. De plus, une structure en treillis est plus facile à concevoir.
Afin d'améliorer la tenue mécanique de l'outillage 1, les points sont situés au centre du motif formé par les points les plus proches du plan adjacent supérieur et au centre du motif formé par les points les plus proches du plan adjacent inférieur. Les points disposés sur un plan sont ainsi décalés par rapport aux points du plan adjacent supérieur et du plan adjacent inférieur, et les points du plan adjacent supérieur sont alignés avec les points du plan adjacent inférieur. Il est également possible de faire varier le décalage entre les points des plans adjacents, cette variation pouvant être une variante locale. Cette variation de décalage entre les points des plans adjacents peut notamment être réalisée en diminuant localement le décalage entre les points, afin de soutenir des zones éloignées de la préforme. La diminution locale du décalage entre les points peut aller jusqu'à l'alignement des points des plans adjacents.
Comme illustré sur la figure 1, la paroi 2 comprend une première surface d'injection 21 définissant le logement 3, et une deuxième surface d'injection 22 située sur l'extérieure de ladite paroi 2 qui définit l'extérieur de ladite paroi.
La première surface d'injection 21 comprend une pluralité de premiers orifices d'injection 21a, et la deuxième surface d'injection 22 comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection 22a.
Ainsi, lorsque le gaz est injecté dans la paroi 2, le gaz entre dans la paroi par les deuxièmes orifices d'injection 22a et sort de la paroi 2 pour pénétrer dans le logement 3 par les premiers orifices d'injection 21a.
Les premiers orifices d'injection 21a comprennent une première taille et sont répartis sur la première surface d'injection 21 selon une première densité. Les deuxièmes orifices d'injection 22a comprennent une deuxième taille et sont répartis sur la deuxième surface d'injection 22 selon une deuxième densité. La première taille est inférieure à la deuxième taille et la première densité est supérieure à la deuxième densité. La densité des orifices d'injection correspond au nombre d'orifices par unité de surface. Cette caractéristique permet d'assurer un compromis entre la bonne circulation du gaz à l'intérieur de l'outillage 1 et la limitation de l'apparition de défauts sur la surface de la pièce finale. En effet, il est préférable de réduire la taille des premiers orifices d'injection 21a formés sur la première surface d'injection 21 afin de limiter le risque que les fibres de la préforme fibreuse pénètrent dans lesdits premiers orifices d'injection 21a et ainsi forment des bosses sur la surface de la pièce finale. De plus, cette caractéristique permet de limiter la surface d'échange entre la paroi et le gaz, le gaz pouvant dégrader l'outillage.
Les premiers orifices d'injection 21a répartis sur la première surface d'injection 21 peuvent comprendre un diamètre inférieur au volume élémentaire représentatif (VER) de la préforme fibreuse afin d'assurer un bon état de surface de la pièce après densification. Les premiers orifices d'injection 21a peuvent toutefois localement posséder un diamètre supérieur au volume élémentaire représentatif (VER) de la préforme fibreuse, notamment dans au niveau des zones de la pièce à fabriquer pour lesquelles l'état de surface n'est pas un critère très important. Par diamètre on désigne ici la plus grande dimension des premiers orifices d'injection 21a.
La paroi 2 de l'outillage 1 est en céramique afin de résister à la circulation du gaz, et aux températures auxquelles la paroi 2 est soumis lors du dépôt de la matrice au sein de la préforme fibreuse. La paroi 2 peut par exemple comprendre du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium. La paroi 2 peut notamment être constituée de nitrure de silicium, d'alumine, ou de dioxyde de zirconium. Ces matériaux offrent l'avantage de pouvoir être utilisés pour la fabrication additive de la paroi 2.
La paroi 2 peut être fabriquée par fabrication additive, également appelée fabrication tridimensionnelle, ou encore impression 3D. La paroi 2 peut par exemple être réalisée par injection (CIM pour « Ceramic Injection Molding » selon la terminologie anglo-saxonne), l'extrusion, impression tridimensionnelle CLIP (pour « Continuous Liquid Interface Production » selon la terminologie anglo-saxonne), ou l'impression tridimensionnelle à jet liant (ou « binder jetting » selon la terminologie anglo-saxonne). Pour ce faire, une poudre céramique est mélangée à un liant plastique, également appelé « feedstock » selon la terminologie anglo-saxonne. Une fois le mélange du liant plastique et le la céramique mis en forme afin de former la paroi 2, le liant plastique est éliminé, par exemple en chauffant la paroi 2, puis ladite paroi 2 qui ne comprend plus que de la céramique est frittée.
La paroi 2 peut également être fabriquée par un procédé de fabrication additive par photo-polymérisation, par exemple un procédé DLP (pour « Digital Light Processing ») ou procédé LCM (pour « Lithography-based Ceramic Manufacturing »). Pour ce faire, une poudre céramique est mélangée à une résine photosensible. Le mélange est mis en forme afin de former la paroi 2 en polymérisant la résine avec un rayonnement ultraviolet. La résine polymère est ensuite éliminée, par exemple par chauffage, afin de disposer d'une paroi 2 comprenant uniquement de la céramique. La paroi 2 peut ensuite être frittée.
Les figures 2a et 2b sont des illustrations de variantes possibles de la première surface d'injection 21, et notamment de la manière dont sont formés les premiers orifices d'injection 21a.
Dans cette variante illustrée sur la figure 2a, la structure alvéolaire est formée par un premier groupe d'alvéoles régulières et par un deuxième groupe d'alvéoles régulières. Les alvéoles du premier groupe sont formées par des tiges qui relient des points répartis selon un maillage régulier sur des plans parallèles superposés. Les alvéoles du deuxième groupe sont formées par des sphères tronquées réparties selon un quadrillage, lesdites sphères étant tronquées de manière de former le logement 3 dans la paroi 2.
Les alvéoles du deuxième groupe forment la première surface d'injection 21 de la paroi 2. Plus précisément, la première surface d'injection 21 est formée par une pluralité de cercles C formées par les sphères tronquées. Les cercles C sont des cercles identiques qui sont juxtaposés les uns à côtés des autres dans un même plan. Dans cette variante, les cercles C sont répartis selon un quadrillage, et les cercles C sont en contact ponctuel avec ces quatre cercles C adjacents. Dans cette variante, les premiers orifices d'injection 21a sont formés par l'espace formé entre quatre cercles C.
Les alvéoles du deuxième groupe peuvent toutefois avoir une forme différente. Les alvéoles du deuxième groupe peuvent notamment être formées par un maillage d'autres solides qui peuvent former des cercles C lorsque lesdits solides sont tronqués en étant interceptés par un plan, comme par exemple un cône ou un cylindre.
Dans la variante illustrée sur la figure 2b, la structure alvéolaire est également formée par un premier groupe d'alvéoles régulières, qui est similaire au premier groupe de la variante de la figure 2a, et un deuxième groupe d'alvéoles régulières. Les alvéoles du deuxième groupe sont formées par des ellipsoïdes tronqués répartis selon un quadrillage.
Dans cette variante de la figure 2b, la première surface d'injection 21 de la paroi 2 est formée par une pluralité d'ellipses E identiques qui sont juxtaposées les unes à côtés des autres dans un même plan, les ellipses E étant formées par les ellipsoïdes tronqués. Dans cette variante, les ellipses E sont en contact ponctuel par leurs sommets principaux (les sommets ayant le rayon de courbure minimum). Dans cette variante, les premiers orifices d'injection 21a sont formés par l'espace formé entre les lignes d'ellipses E qui sont formées par les ellipses E en contact.
Les formes en cercle C ou en ellipse E sont obtenues en choisissant le niveau dans la structure en réseau alvéolaire de la paroi 2 auquel le logement 3 est formé. D'autres formes sont possibles, suivant la manière dont la structure en réseau alvéolaire de la paroi 2 est tronquée pour faire le logement 3.
De manière plus générale, la première surface d'injection 21 n'est pas limitée à une surface formée par un maillage de cercle C ou d'ellipses E, d'autres formes pouvant être choisies afin d'assurer l'état de surface visé pour la pièce à fabriquer.
Selon une variante possible illustrée sur la figure 3, la paroi 2 de l'outillage 1 est recouverte par une coque 4 étanche qui est étanche au gaz. Afin de permettre l'injection du gaz à l'intérieur de la paroi 2, au moins un canal d'injection 41 est formé dans la coque 4. La coque 4 peut par exemple être en graphite. La coque 4 peut également être dans le même matériau que la paroi 2. L'outillage 1 selon la variante de la figure 3 est installé dans le four, et la source du gaz est connectée à chaque canal d'injection 41 formé dans la coque 4 afin d'injecter le gaz directement dans l'outillage 1. Si une pluralité d'outillages 1 est disposée dans le four, la source de gaz est connectée à chaque canal d'injection 41 de la coque 4 des outillages 1. Une telle variante permet de diminuer la quantité de gaz à injecter, car seul le volume interne de l'outillage 1 doit être rempli de gaz, et non plus le volume interne du four qui est plus important que le volume interne de l'outillage 1.
La paroi 2 de l'outillage 1 peut être formée par deux demi-parois 20 amovibles qui comprennent chacune une portion du logement 3 et qui sont assemblées ensemble afin de former la paroi 2. Les demi-parois 20 peuvent comprendre des moyens de fixation, tel que par exemple des brides de fixation comprenant un perçage destiné à recevoir un boulonnage, afin de permettre de fixer les demi-parois 20 ensemble. Les moyens de fixation peuvent être fabriqués avec l'ensemble de la demiparoi 20 par fabrication additive. Lorsque l'outillage 1 comprend une coque 4, les demi-parois 20 peuvent être chacune recouverte par une demi-coque.
Claims (12)
- REVEN DICATONS1. Outillage (1) pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse, ledit outillage (1) comprenant au moins une paroi (2) qui comprend un logement (3) destiné à recevoir la préforme fibreuse, caractérisé en ce que ladite paroi (2) présente une structure en réseau alvéolaire définissant une pluralité de canaux d'injection de gaz.
- 2. Outillage (1) selon la revendication 1, dans lequel la paroi (2) comprend une porosité supérieure à 15%.
- 3. Outillage (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la paroi (2) comprend une première surface d'injection (21) définissant le logement (3) et comprenant une pluralité de premiers orifices d'injection (21a) du gaz ayant une première taille et qui sont répartis selon une première densité sur ladite première surface d'injection (21), ladite paroi (2) comprenant également une deuxième surface d'injection (22) située sur l'extérieur de la paroi (2) qui comprend une pluralité de deuxièmes orifices d'injection (22a) du gaz ayant une deuxième taille et qui sont répartis selon une deuxième densité sur ladite deuxième surface d'injection (22), la première taille étant inférieure à la deuxième taille et la première densité étant supérieure à la deuxième densité.
- 4. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la structure en réseau alvéolaire est formée par une pluralité de points répartis sur une pluralité de plans parallèles entre eux, chaque plan étant formé par un maillage régulier de points, chaque point étant situé au centre d'un premier motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent supérieur et au centre d'un deuxième motif formé par les points les plus proches d'un plan adjacent inférieur, chaque point étant relié par une tige aux points les plus proches du plan adjacent supérieur et aux points les plus proches du plan adjacent inférieur.
- 5. Outillage (1) selon la revendication 4, dans lequel le premier motif et le deuxième motif sont des carrés.
- 6. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi (2) est en céramique.
- 7. Outillage (1) selon la revendication 6, dans lequel la paroi (2) comprend du nitrure de silicium, de l'alumine, et/ou du dioxyde de zirconium.
- 8. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la paroi (2) comprend une deuxième surface d'injection (22) située à l'extérieur de la paroi (2) qui est recouverte par une coque (4) étanche à un gaz, au moins un canal d'injection (41) étant formé dans la coque (4) pour l'injection du gaz dans la paroi (2).
- 9. Outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la paroi (2) est formée par deux demi-parois (20) amovibles qui définissent chacune une portion du logement (3).
- 10. Ensemble pour la densification d'une préforme fibreuse par voie gazeuse comprenant au moins un outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, un four dans lequel est situé chaque outillage (1), et une source de gaz configurée pour injecter le gaz à l'intérieur du four.
- 11. Ensemble selon la revendication 10, comprenant au moins un outillage (1) selon la revendication 8 et dans lequel la source de gaz est connectée audit au moins un canal d'injection (4) de la coque (4) de chaque outillage (1).
- 12. Procédé de fabrication d'un outillage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'outillage (1) est fabriqué par fabrication additive.
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