FR3096694A1 - Dispositif de decoupe d’une bande de fibres selon une largeur evolutive - Google Patents

Abstract

Pour générer une bande de fibres de largeur variable dans le but de réaliser une pièce en matériau composite par tressage, l’invention se rapporte à un dispositif (30) de découpe de cette bande de fibres (26) selon une largeur évolutive, le dispositif comprenant : - un support de bande (40) ; - des moyens (42) de mise en mouvement de la bande (26) sur le support (40), selon une direction longitudinale (X) ; - un premier ensemble de découpe (60a) capable de couper un premier côté de la bande ; - un second ensemble de découpe (60b) capable de couper un second côté de la bande ; - des premiers et seconds moyens (64a, 64b) de commande de la position des ensembles de découpe (60a, 60b) par rapport au support (40), selon une direction transversale (Y). Figure pour l’abrégé : Figure 6

Description

DISPOSITIF DE DECOUPE D’UNE BANDE DE FIBRES SELON UNE LARGEUR EVOLUTIVE

L’invention se rapporte au domaine du tressage pour la fabrication de pièces en matériau composite comprenant des fibres, et de préférence pour la fabrication de pièces d’aéronef comme des cadres de fuselage, des longerons de voilure, ou tout autre élément structurel.

Elle s’applique en particulier au tressage pour la fabrication de pièces présentant une section évolutive.

La technologie de tressage est déjà largement répandue pour la fabrication de pièces en matériau composite de section constante. D’une manière générale, des bobines sont agencées sur des supports mobiles montés sur le bâti d’une machine de tressage. Des fils et/ou des bandes de fibres sont déroulés des bobines pour être tressés autour d’un mandrin de la machine de tressage. C’est la mise en mouvement de ce mandrin qui provoque le déroulement des fils et/ou des bandes de fibres.

Lorsque la pièce à réaliser présente une section constante, il est aisé de réaliser un tressage avec des angles de fibres constants par rapport au mandrin, et un taux de couverture constant du mandrin le long de celui-ci. Ce taux de couverture peut par exemple correspondre à la quantité de fibres par unité de surface.

Néanmoins, il existe un besoin d’améliorer la technologie existante, afin d’améliorer la réalisation par tressage de pièces à section évolutive.

Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l’invention a tout d’abord pour objet une machine de tressage pour la fabrication d’une pièce d’aéronef, la machine comprenant :
- un mandrin mobile ;
- un bâti agencé autour du mandrin mobile ;
- une pluralité de bobines comprenant chacune un enroulement de fibres, prenant la forme d’une bande enroulée pour au moins certaines d’entre elles, chaque bobine étant portée par un support de bobine monté mobile sur le bâti.

Selon l’invention, la bande d’au moins l’une desdites bobines présente une largeur variable.

Ainsi, la largeur variable d’une ou plusieurs bandes peut être corrélée à l’évolution de la section du mandrin, de préférence de manière à obtenir un tressage de section variable présentant un taux de couverture constant ou sensiblement constant, ainsi que des angles de fibres constants ou sensiblement constants par rapport au mandrin. Alternativement, la variation de la largeur de bande au cours de son défilement peut servir à l’obtention d’un tressage présentant un taux de couverture évolutif le long du mandrin, en particulier pour des pièces présentant une section constante.

L’invention prévoit de préférence au moins l’une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

La machine comporte également un anneau de guidage des bandes, l’anneau de guidage étant agencé entre le bâti et le mandrin.

Le bâti présente une forme générale circulaire.

L’enroulement de fibres d’au moins certaines desdites bobines prend la forme d’un fil enroulé.

L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une pièce d’aéronef en matériau composite, de préférence de section variable, par exemple d’un cadre de fuselage ou d’un longeron de voilure, le procédé étant mis en œuvre à l’aide de la machine de tressage telle que décrite ci-dessus, le procédé comprenant une étape de tressage autour du mandrin, à l’aide des fibres provenant des bobines.

L’invention a également pour objet un dispositif de découpe d’une bande de fibres selon une largeur évolutive, le dispositif comprenant :
- un support de bande sur lequel la bande est apte à défiler ;
- des moyens de mise en mouvement de la bande sur le support de bande, selon une direction longitudinale du dispositif ;
- un premier ensemble de découpe capable de couper un premier côté de la bande ;
- un second ensemble de découpe capable de couper un second côté de la bande, opposé au premier côté ;
- des premiers moyens de commande de la position du premier ensemble de découpe par rapport au support de bande, selon une direction transversale du dispositif ; et
- des seconds moyens de commande de la position du second ensemble de découpe par rapport au support de bande, selon la direction transversale du dispositif.

De préférence, le dispositif comporte un châssis sur lequel est fixé le support de bande, et chacun des premiers et seconds moyens de commande comprend :
- un chariot mobile transversalement sur un élément du châssis, l’ensemble de découpe étant fixé sur le chariot ;
- un chemin de commande de position transversale du chariot, le chemin présentant un écartement transversal évolutif par rapport au support de bande le long de la direction longitudinale, le chariot comportant un organe de guidage suivant le chemin de commande ;
- des moyens de déplacement relatif entre le chemin de commande et le chariot, selon la direction longitudinale du dispositif de découpe.

De préférence, les moyens de déplacement relatif sont des moyens permettant de déplacer le chemin de commande par rapport au châssis, selon la direction longitudinale.

Alternativement, les moyens de déplacement relatif sont des moyens permettant de déplacer ledit élément de châssis par rapport à une structure fixe du châssis, selon la direction longitudinale.

De préférence, le chemin de commande est réalisé par un rail, et l’organe de guidage du chariot forme un suiveur de rail.

De préférence, les premier et second ensembles de découpe sont espacés l’un de l’autre selon la direction longitudinale.

Le dispositif comprend un premier support rotatif d’une bobine d’entrée à partir de laquelle la bande est destinée à défiler sur le support de bande, ainsi qu’un second support rotatif d’une bobine de sortie sur laquelle la bande de largeur évolutive est destinée à être rembobinée.

De préférence, les premier et second ensembles de découpe comprennent chacun un système de découpe de bande du type à lame rotative, à lame à vibration à haute fréquence, ou à jet d’eau.

De préférence, le dispositif comprend une unité de commande électronique pour commander les premiers et seconds moyens de commande de la position transversale des premier et second ensembles de découpe.

Enfin, l’invention a pour objet un procédé de découpe d’une bande de fibres selon une largeur évolutive, à l’aide d’un dispositif de découpe tel que décrit ci-dessus, le procédé comprenant une étape de défilement de la bande à travers le dispositif de découpe, et, pendant au moins une partie de cette étape de défilement selon la direction longitudinale, une étape de découpe de cette bande le long de l’un et/ou des deux de ses premier et second côtés.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

représente une vue en plan de côté d’un aéronef ;

représente une vue en perspective d’une partie du fuselage de l’aéronef montré sur la figure précédente ;

représente une vue schématique en coupe d’une aile de l’aéronef montré sur la figure 1 ;

représente une vue en coupe d’une machine de tressage, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ;

représente une vue schématique d’une partie d’une bande déroulée de l’une des bobines équipant la machine représentée sur la figure précédente ;

représente une vue en coupe d’une machine de tressage, selon un autre mode de réalisation préféré de l’invention ;

représente une vue en perspective d’un dispositif de découpe latéral d’une bande de fibres, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ;

représente une vue schématique en coupe transversale du dispositif de découpe montré sur la figure 6 ;

représente une vue de dessus du dispositif de découpe montré sur les figures 6 et 7 ; et

représente une vue de dessus du dispositif de découpe montré sur la figure précédente, dans une autre configuration.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS

En référence à la figure 1, il est représenté un aéronef 100 du type avion commercial, comprenant deux ailes 2 (une seule visible sur la figure 1) fixées à un fuselage 3 et portant chacune une turbomachine 1 du type à double flux, tel qu’un turboréacteur.

L’invention se rapporte au domaine de la fabrication par tressage de pièces de l’aéronef 100, ces pièces étant réalisées dans un matériau composite obtenu à partir d’une matrice enrobant des fibres. La matrice peut être une résine, et les fibres sont par exemple des fibres de carbone.

Les pièces envisagées pour une telle réalisation par tressage sont par exemple les cadres de fuselage 4, montrés sur la figure 2, et destinés à supporter la peau 6 du fuselage. Les cadres 4 s’étendant globalement dans des plans transversaux du fuselage, et présentent une section aux dimensions évolutives. En effet, cette section peut être par exemple sensiblement rectangulaire, en forme de U, ou de toute autre forme, avec des dimensions changeantes le long de chaque cadre.

Parmi les autres pièces envisagées, il peut s’agir des longerons de voilure équipant les ailes 2. Il peut ainsi s’agir par exemple du longeron avant de voilure 8 schématisé sur la figure 3, dont la section évolutive le long de l’envergure peut également prendre une forme sensiblement rectangulaire, une forme de U couché, ou toute autre forme connue de l’homme du métier.

En référence à présent à la figure 4, il est représenté une machine de tressage 10 selon un mode de réalisation préféré de l’invention, destinée à la fabrication d’une pièce de l’aéronef en matériau composite, et à section variable.

La machine comporte tout d’abord un bâti 12, de préférence de forme générale circulaire et agencé dans un plan orthogonal au sol. Ce bâti 12 est équipé de supports de bobines 14, qui sont montés mobiles sur ce châssis d’une manière connue de l’homme du métier, de façon à générer, lors de leur mise en mouvement, les croisements désirés entre les fibres pour aboutir au tressage.

Chaque support 14 porte une bobine 16, solidaire en rotation de son support associé 14. Chaque bobine 16 comprend un enroulement de fibres, cet enroulement prenant la forme d’une bande enroulée pour au moins certaines des bobines. Dans le cas d’un tressage conventionnel, toutes les bobines peuvent comprendre un enroulement de fibres sous forme de bande enroulée. En revanche, dans le cas d’un tressage dit « à fibres unidirectionnelles » (de l’anglais «UD- braiding»), au moins certaines des bobines comprennent un enroulement de fibres sous forme de fil enroulé, les fils étant destinés à se croiser avec les bandes de fibres des autres bobines.

La machine 10 comporte également un mandrin 20, mobile selon son axe 22. Le mandrin 20 est centré à l’intérieur du bâti 12 qui l’entoure. En outre, un anneau 24 de guidage des bandes et des fils est centré sur l’axe du bâti 12 correspondant également à l’axe 22 du mandrin mobile 20. L’anneau de guidage 24 est ainsi concentrique par rapport au bâti 12, en étant agencé entre ce bâti et le mandrin mobile 20.

Ainsi, la bande / le fil 26 de chaque bobine 16 est déroulée en continu au fur et à mesure que le mandrin 20 se déplace par rapport au bâti 12, en passant par l’anneau de guidage 24 et en venant se plaquer contre la surface extérieure du mandrin 20. Cela correspond à une étape de tressage d’un procédé propre à l’invention, visant à la fabrication de la pièce de l’aéronef en matériau composite. Cette étape de tressage autour du mandrin 20 est réalisée avec des fibres sèches ou préimprégnées de résine. Dans ce dernier cas, le procédé de fabrication est poursuivi par une étape de chauffage de la pièce tressée, en vue de polymériser la résine. Dans le cas d’une utilisation de bobines à fibres sèches, une étape intermédiaire d’imprégnation de résine est mise en œuvre.

L’une des particularités de la présente invention réside dans l’utilisation de bobines 16 dont au moins certaines d’entre elles comprennent un enroulement de fibres sous forme d’une bande enroulée 26 de largeur variable, c’est-à-dire de largeur non constantfe le long de la bande. Un exemple de réalisation est montré sur la figure 4a. Celle-ci montre de manière schématique une partie de bande 26 à l’état déroulé, avec plusieurs tronçons longitudinaux qui se succèdent en présentant des largeurs l1, l2, l3, l4 différentes.

Grâce à cette largeur évolutive d’au moins plusieurs bandes, il devient avantageusement possible de réaliser une pièce tressée de section variable présentant un taux de couverture en fibres constant ou sensiblement constant, ainsi que des angles de fibres constants ou sensiblement constants par rapport au mandrin 20. Pour garantir cette homogénéité de recouvrement en fibres, la machine 10 est commandée de sorte que les portions de bandes de largeurs plus élevées se plaquent autour des sections les plus grandes du mandrin 20.

De manière plus générale, l’invention permet d’adapter localement le taux de couverture en fibres grâce à la variabilité de la largeur de bande, et ce tout en conservant une même vitesse de déplacement du mandrin, garantissant ainsi des angles de fibres constants ou sensiblement constants par rapport à ce même mandrin 20. L’invention permet ainsi de tresser des pièces de forme plus complexe, tout en conservant la même précision et le même niveau d’automatisation.

Un tel angle de fibres A est représenté sur la machine 10 de la figure 5, se présentant sous la forme d’un autre mode de réalisation. Sur cette machine 10, les supports de bobines 14 ne sont plus orientés axialement sur le bâti circulaire 12 comme dans le mode de réalisation précédent, mais ils sont orientés radialement. Seules deux bobines 16 ont été représentées, de manière à mettre en évidence le plaquage des deux bandes associées sur le mandrin courbe 20. L’angle A référencé sur cette figure 5 montre que l’angle de fibres correspond à l’angle formé localement par la bande / le fil 26 avec une direction parallèle à l’axe 22 du mandrin 20. Cet angle A peut être compris entre 0 et 90°, et différer en fonction des bandes / fils 26 tressés autour du mandrin.

L’invention se rapporte également à un dispositif de découpe d’une bande de fibres selon une largeur évolutive, afin de créer des bobines 16 destinées à équiper la machine de tressage 10 qui vient d’être décrite.

Un tel dispositif 30 de découpe latéral d’une bande est montré sur les figures 6 à 8. Il se présente sous la forme d’un mode de réalisation préféré de l’invention.

Le dispositif 30 comporte tout d’abord un châssis 32 comprenant des pieds 34 posés sur le sol. Le châssis 32 comprend également des poutres fixes, solidaires des pieds 34, comme des longerons 36 et des traverses 38 reliant les longerons. Les longerons 36 s’étendent selon une direction longitudinale X du dispositif, tandis que les traverses 38 s’étendent selon une direction transversale Y de ce même dispositif 30.

Les traverses 38 portent un support de bande 40 sous forme de plaque longitudinale, parallèle aux deux longerons 36 agencés aux deux extrémités transversales du dispositif 30. Une bande de fibres 26 est ainsi destinée à défiler sur le support 40, selon la direction X, tout en étant découpée au niveau de ses deux côtés afin d’obtenir une largeur évolutive prédéterminée.

Pour assurer le défilement de la bande 26 sur le support de bande 40, le dispositif 30 comprend des moyens de mise en mouvement, par exemple un moteur rotatif 42 fixé sur le châssis 32. En outre, ce dernier porte un premier support rotatif 44 sur lequel est montée une bobine d’entrée 16, à partir de laquelle la bande 26 de largeur constante est destinée à défiler sur le support 40, en passant par des rouleaux 46 de guidage et de mise en tension de la bande. Le premier support rotatif 44 est agencé à une extrémité longitudinale du dispositif, en amont du support de bande 40 selon le sens de défilement de la bande. A l’extrémité longitudinale opposée du dispositif 40, le châssis 32 porte un second support rotatif 50 sur lequel est montée une bobine de sortie 16. Cette bobine de sortie 16 correspond à celle sur laquelle la bande de fibres découpée 26 est destinée à être rembobinée. Elle est agencée en aval du support de bande 40, et entraînée en rotation par un arbre de sortie 52 du moteur 42. Ici aussi, des rouleaux 56 de guidage et de mise en tension de la bande découpée 26 peuvent être agencés entre le support de bande 40 et la bobine de sortie 16.

Pour assurer la découpe latérale de la bande 26 sur son support 40, le dispositif 30 comporte un premier ensemble de découpe 60a capable de couper un premier côté de la bande, à savoir celui de gauche sur les figures 6 à 8, ainsi qu’un second ensemble de découpe 60b capable de couper un second côté de la bande opposé au premier côté, à savoir celui de droite sur les figures 6 et 7. Les deux ensembles 60a, 60b, agencés au-dessus du support de bande 40, sont espacés l’un de l’autre selon la direction X. Ils comprennent chacun un système de coupe, par exemple une lame rotative 62a, 62b en appui sur le support de bande 40 et montée pivotante sur son ensemble 60a, 60b selon un axe de rotation transversal. D’autres technologies de système de coupe peuvent néanmoins être envisagées, comme une lame à vibration à haute fréquence, ou encore une technologie de découpe par jet d’eau sous forte pression.

Chaque ensemble de découpe 60a, 60b est monté mobile transversalement sur l’une des traverses 38 du châssis 32, et associé à des moyens de commande 64a, 64b permettant de contrôler sa position transversale par rapport au support de bande 40. Par la suite, seuls les premiers moyens de commande 64a associés au premier ensemble de découpe 60a seront décrits, étant entendu que les seconds moyens de commande 64b associés au second ensemble de découpe 60b présentent une conception identique ou similaire. Sur les figures, les éléments qui portent des références avec le même radical numérique, et des extensions « a » ou « b », correspondent à des éléments identiques ou similaires.

Ainsi, les premiers moyens de commande 64a comportent tout d’abord un chariot 66a, portant fixement le premier ensemble de découpe 60a. Le chariot 66a est monté mobile selon la direction Y, sur sa traverse associée 38. Ils comprennent également une plaque ou platine 70a, sur laquelle est formé un chemin de commande 72a, par exemple en forme de rail ou de rainure. Ce chemin 72a, de forme courbe et agencé dans un plan XY, présente un écartement transversal évolutif par rapport au support de bande 40. En d’autres termes, le long du chemin 72a selon la direction X, il est observé une variation de la distance transversale « dt » qui sépare ce chemin d’un plan vertical médian 74 du support de bande 40.

Le chemin 72a permet la commande de la position transversale du chariot 66a, grâce à un organe de guidage 78a solidaire de ce chariot et logé dans le chemin 72a. Cet organe de guidage 78a peut prendre la forme d’un suiveur de rail, tel qu’un galet roulant ou un pion inséré à coulissement dans le chemin 72a en forme de rail.

Les premiers moyens de commande 64a comportent enfin des moyens de déplacement relatif selon la direction X, entre la platine 70a et le chariot 66a. Dans le mode de réalisation des figures 6 à 8, ces moyens de déplacement correspondent à un moteur linéaire 82a permettant de mettre la platine 70a en mouvement le long du longeron de châssis 36 associé. Alternativement, il pourrait s’agir d’un moteur linéaire permettant de mettre la traverse de châssis 38 en mouvement le long du longeron de châssis 36 associé. Cette traverse 38, portant le chariot 66a, correspondrait alors à un élément mobile du châssis 32, par rapport à une structure fixe de ce même châssis incorporant les pieds 34 et les longerons 36.

Dans le mode de réalisation des figures 6 à 8, la traverse de châssis 38 portant le chariot 66a constitue une partie fixe du châssis 32. Le déplacement longitudinal de la platine 70a le long du longeron 36 s’effectue ainsi par le moteur linéaire 82a, qui est commandé par une unité de commande électronique 84 du dispositif 30.

A titre d’exemple, dans la configuration de la figure 8, la position longitudinale du rail 72a place le suiveur de rail 78a à une distance transversale « dt1 » du plan vertical médian 74 du support de bande 40. Cette distance transversale « dt1 » conduit la lame 62a à se positionner à une distance transversale « dt’1 » du plan vertical médian 74, et donc à couper latéralement la bande de fibres 26 selon une largeur donnée.

Au moins pendant une partie d’une étape de défilement de la bande 26 sur le support selon la direction X, il est donc procédé à une étape de découpe du premier côté avec la lame 62a. Lorsque la largeur de la bande 26 doit varier, le moteur linéaire 82a est actionné afin de déplacer longitudinalement le chemin de commande 72a, comme cela a été schématisé sur la figure 9. Sur cette figure, il est représenté une situation dans laquelle une réduction de largeur de bande 26 est recherchée du premier côté de celle-ci. La platine 70a est ainsi déplacée le long du longeron 36 en direction de la partie aval de la bande 26, ce qui conduit le suiveur de rail 78a à se déplacer transversalement en direction du plan vertical médian 74 du support 40. Par conséquent, le suiveur de rail 78a se trouve à une distance transversale réduite « dt2 » du plan vertical médian 74, et il conduit à un déplacement transversal du chariot 66a amenant la lame 62a à une distance transversale réduite « dt’2 » du plan vertical médian 74. Ainsi, au passage de la bande 26 par cette lame 62a, la partie latérale découpée présente une plus grande largeur.

La commande de la position des deux lames 62a, 62b est ajustée en continu par l’unité 84 pendant le défilement de la bande 26 sur le support 40, afin d’obtenir une bobine de sortie 16 avec un enroulement de fibres sous forme de bande de largeur évolutive.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’invention qui vient d’être décrite, uniquement à titre d’exemples non limitatifs, et dont la portée est définie par les revendications jointes en annexe.

Claims (5)

1. Machine de tressage (10) pour la fabrication d’une pièce d’aéronef, la machine comprenant :
   - un mandrin mobile (20) ;
   - un bâti (12) agencé autour du mandrin mobile (20) ;
   - une pluralité de bobines (16) comprenant chacune un enroulement de fibres, prenant la forme d’une bande enroulée (26) pour au moins certaines d’entre elles, chaque bobine (16) étant portée par un support de bobine (14) monté mobile sur la bâti (12),
   caractérisé en ce que la bande (26) d’au moins l’une desdites bobines (16) présente une largeur variable.
2. Machine de tressage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comporte également un anneau (24) de guidage des bandes, l’anneau de guidage étant agencé entre le bâti (12) et le mandrin (20).
3. Machine de tressage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le bâti (12) présente une forme générale circulaire.
4. Machine de tressage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’enroulement de fibres d’au moins certaines desdites bobines (16) prend la forme d’un fil enroulé (26).
5. Procédé de fabrication d’une pièce d’aéronef en matériau composite, de préférence de section variable, par exemple d’un cadre de fuselage (4) ou d’un longeron de voilure (8), caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre à l’aide de la machine de tressage (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape de tressage autour du mandrin (20), à l’aide des fibres provenant des bobines (16).