FR3101570A1 - Installation de fabrication d’une piece composite, en particulier pour un moteur d’aeronef - Google Patents
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Abstract
Installation de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, cette installation comportant : un piston (10) de stockage et de distribution de résine polymérisable, un dispositif (14) de chauffage de la résine, et un moule (12) de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre : - un dispositif de préchauffage (18) de la résine, en amont du dispositif de chauffage (14). Figure pour l'abrégé : Figure 4
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne une installation de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef.
Arrière-plan technique
L’état de la technique comprend notamment les documents FR-A1-2 956 057, FR-A1-3 029 134 et FR-A1-3 051 386
L’utilisation de matériaux composites est avantageuse dans l’industrie aéronautique notamment car ces matériaux ont des performances mécaniques intéressantes pour des masses relativement faibles.
Un procédé de fabrication d’une pièce composite pour l’industrie aéronautique, qui est bien connu de l’homme du métier, est le procédé de moulage RTM dont les initiales font référence à l’acronyme anglo-saxon deResin Transfer Molding.
Il s’agit d’un procédé de réalisation d’une pièce en matériau composite à base de fibres imprégnées de résine. Un tel procédé est par exemple utilisé pour fabriquer une aube de soufflante et comporte plusieurs étapes successives.
On commence par réaliser le tissage de fibres pour obtenir une ébauche de préforme en trois dimensions, puis on découpe l’ébauche pour obtenir une préforme présentant sensiblement la forme de l’aube à obtenir. Cette préforme est alors disposée dans un moule d'injection, qui est refermé. Puis on injecte de la résine à l'état liquide en maintenant une pression sur la résine injectée pendant que l’on effectue la polymérisation de la pièce par chauffage.
Les résines utilisées sont des résines très fluides qui sont à même de bien pénétrer les fibres de la préforme, même lorsqu'elles sont injectées sous une pression réduite. Pendant la polymérisation, sous l'effet de la chaleur, la résine injectée passe successivement de l'état liquide à l'état gélifié et enfin à l'état solide.
L'alimentation continue du moule d'injection en résine sous pression est une exigence primordiale qui a pour but de garantir des pièces de qualité, sans défaut et sans porosité. En effet, la résine tendant à dégazer pendant la polymérisation, il est nécessaire de maintenir la pression de la résine jusqu'à la polymérisation complète de la pièce afin d'éviter que des relâchements de gaz ne viennent compromettre l'intégrité de la résine.
Comme cela est représenté à la figure 1, la distribution et la mise en pression de la résine sont en général réalisées au moyen d’un piston 10 dont la sortie 10a est reliée à une entrée 12a du moule 12.
Le chauffage de la résine avant son injection dans le moule est également très importante. Il est en effet important que l’un des composants de la résine (un durcisseur) se soit complètement dissout dans la résine avant son contact avec la préforme car ce composant risquerait d’être filtré dans la préforme, et les propriétés mécaniques de la résine lors de la cuisson ne seraient pas respectées.. Dans la technique actuelle, la résine est chauffée jusqu’à au moins 150°C (voire au moins 154°C). Cela correspond à des résines comportant du « CAF » comme durcisseur (9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène).
Le chauffage de la résine est réalisé au moyen d’un dispositif de chauffage 14 par conduction dont une entrée 14a est reliée à la sortie 10a, et une sortie 14b est reliée à l’entrée 12a. Ce dispositif de chauffage 14 comporte un empilement de plaques 14c (figures 1 à 3). Les plaques 14c définissent des chemins 14d de circulation de la résine en forme de serpentin. La plaque centrale 14ca est en général chauffée et les autres plaques ainsi que la résine sont chauffées par conduction.
Comme cela est également visible à la figure 1, une conduite de dérivation 16 s’étend entre l’entrée 14a et la sortie 14b. Les flèches de la figure 1 montrent le cheminement de la résine lors du remplissage du moule. Après le remplissage du moule 112, la résine passe du piston 10 au moule 12 en passant par la conduite de dérivation 16. La conduite de dérivation 16 permet d’appliquer la pression imposée par le piston 10 à la résine alimentant le moule 12. En effet, la température de la résine dans la conduite 16 est inférieure à celle de la résine dans le dispositif de chauffage 14. La polymérisation de la résine dans le dispositif de chauffage 14 est plus avancée que dans la conduite 16 et donc la viscosité de la résine dans le dispositif de chauffage est plus importante que celle dans la conduite. La plus faible viscosité dans la conduite 16 favorise la transmission de la pression imposée par le piston 10 à la résine qui est injectée en continu dans la moule 12.
A la fin du procédé de fabrication d’une pièce, la résine restant dans le piston, le dispositif de chauffage 14 et la conduite 16, est perdue car elle a a complètement polymérisé et n’est pas réutilisable.
Pour que la résine soit chauffée dans le dispositif 14 à la température souhaitée avant son injection dans le moule 12, il faut une longueur cumulée importante (plusieurs mètres) de chemins 14d de circulation de la résine (serpentins). Il est alors nécessaire dans la technique actuelle d’utiliser un empilement d’un nombre important de plaques 14c, au moins cinq voire sept. Cependant, plus cette longueur est importante et plus la quantité de résine perdue à la fin du procédé de fabrication est importante.
La résine est une matière première relativement coûteuse et cette quantité de résine perdue représente une perte financière importante. Il existe donc un besoin d’une solution permettant de réduire de manière significative la quantité de résine perdue à chaque procédé de fabrication.
La présente invention propose une solution à ce problème, qui est simple, efficace et économique.
L’invention propose une installation de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, cette installation comportant :
- un piston de stockage et de distribution de résine polymérisable, qui comprend une sortie de résine,
- un dispositif de chauffage de la résine, ce dispositif de chauffage étant configuré pour chauffer la résine par conduction et comportant une sortie de résine et une entrée de résine reliée à la sortie de résine du piston,
- une conduite de dérivation s’étendant entre les entrée et sortie de résine du dispositif de chauffage, et
- un moule de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme, ce moule comportant une entrée de résine reliée à la sortie de résine du dispositif de chauffage,
caractérisée en ce qu’elle comporte en outre :
- un dispositif de préchauffage de la résine, ce dispositif de préchauffage étant configuré pour préchauffer la résine avant son chauffage par le dispositif de chauffage, la sortie de résine du piston étant reliée à l’entrée de résine du dispositif de chauffage par le dispositif de préchauffage.
L’invention permet donc de préchauffer la résine avant son chauffage et donc de permettre une simplification du dispositif de chauffage et en particulier une réduction de la longueur précitée des chemins de circulation de résine au sein du dispositif de chauffage. Il est alors envisageable de réduire le nombre de plaques du dispositif de chauffage dans l’exemple précité et donc de limiter la quantité perdue de résine à la fin d’un procédé de fabrication d’une pièce.
Il ne serait pas envisageable de préchauffer la résine ou sa conduite de circulation uniquement par conduction car, comme c’est le cas dans le dispositif de chauffage, ce mode de transmission de chaleur nécessite une longueur trop importante de conduite et ne pourrait pas être implantée en amont du dispositif de chauffage.
L’installation selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le dispositif de préchauffage est configuré pour préchauffer la résine par induction, de préférence indirectement ;
- le dispositif de préchauffage est configuré pour préchauffer par induction au moins une partie d’une conduite en matériau métallique dans laquelle circule ladite résine ;
- le dispositif de préchauffage est configuré pour préchauffer la résine par micro-ondes ;
- le dispositif de préchauffage est configuré pour exciter par micro-ondes des molécules polaires contenues dans la résine ;
- ladite conduite de dérivation est reliée directement à la sortie de résine du dispositif de chauffage, et par l’intermédiaire du dispositif de préchauffage, à l’entrée de résine du dispositif de chauffage ;
- le dispositif de chauffage est configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 150°C, et le dispositif de préchauffage est configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 120°C ;
- le dispositif de chauffage comprend un empilement de plaques dont au moins certaines comprennent ou définissent des chemins de circulation de la résine en forme de serpentin ;
- le dispositif de chauffage comporte un empilement de moins de cinq plaques ;
- la résine contenue dans le piston comprend un durcisseur qui est ou comprend du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène.
La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, au moyen d’une installation telle que décrite précédemment, dans lequel il comprend les étapes consistant à :
- préchauffer la résine au moyen du dispositif de préchauffage d’au moins 20°C par rapport à la température de la résine dans le piston, et
- chauffer la résine au moyen du dispositif de chauffage d’au moins 30°C, avant son injection dans le moule.
De préférence, la résine comprend un durcisseur qui est ou comprend du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
Description détaillée de l'invention
Les figures 1 à 3 ont été décrites dans ce qui précède.
La figure 4 illustre une installation de fabrication d’une pièce composite selon un mode de réalisation de l’invention.
L’installation comporte pour l’essentiel :
- un piston 10 de stockage et de distribution de résine polymérisable, qui comprend une sortie de résine 10a,
- un dispositif de chauffage 14 de la résine, ce dispositif de chauffage étant configuré pour chauffer la résine par conduction et comportant une sortie de résine 14b et une entrée de résine 14a reliée à la sortie de résine 10a du piston,
- une conduite de dérivation 16 s’étendant entre les entrée 14a et sortie 14b de résine du dispositif de chauffage 14, et
- un moule 12 de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme, ce moule comportant une entrée de résine 12a reliée à la sortie de résine 14b du dispositif de chauffage 14.
L’installation peut comprendre d’autres éléments, représentés ou non dans les dessins. Le moule 12 peut par exemple comprendre un évent 12b pour réaliser un vide partiel dans la cavité du moule 12 et ainsi faciliter l’injection de la résine dans le moule. L’installation peut en outre comprendre des vannes 20.
Les différents éléments de l’installation peuvent être reliés à des moyens de contrôle et de commande à distance, tels que des moyens informatisés par exemple.
Selon l’invention, un dispositif de préchauffage 18 de la résine est monté en amont du dispositif de chauffage 14. Ce dispositif de préchauffage 18 est configuré pour préchauffer la résine avant son chauffage par le dispositif 14.
La sortie de résine 10a du piston 10 est ainsi reliée à l’entrée 14a du dispositif de chauffage 14 par le dispositif de préchauffage 18.
Avantageusement, la conduite de dérivation 16 est reliée directement à la sortie de résine 14b du dispositif de chauffage 14, et par l’intermédiaire du dispositif de préchauffage 18, à l’entrée de résine 14a du dispositif de chauffage 14. Cette conduite 16 permet une transmission de pression provenant du piston 10, comme évoqué dans ce qui précède.
Dans un premier mode de réalisation représenté à la figure 5, le dispositif de préchauffage 18 est configuré pour préchauffer la résine par induction. Le dispositif de préchauffage 18 est par exemple configuré pour préchauffer par induction au moins une partie d’une conduite 22 en matériau métallique (par exemple en cuivre) dans laquelle circule la résine 24.
Le chauffage par induction est une technique de chauffage reposant sur l'induction électromagnétique. Son avantage est de chauffer des matériaux sans contact avec la source d'énergie. La chaleur inductive fonctionne grâce à la perte du courant de Foucault qui génère du courant alternatif à basse fréquence. Le corps à chauffer baigne dans un champ électromagnétique. Ce champ électromagnétique se crée lorsqu´il y a rencontre entre un matériau conducteur (un métal par exemple) et un aimant capable de créer un champ magnétique. Cet aimant va exercer une force sur les électrons libres présents dans le matériau générant ainsi un courant électrique. L'énergie se dissipe alors à l´intérieur du corps sous forme de chaleur.
Dans un second mode de réalisation représenté à la figure 6, le dispositif de préchauffage 18’ est configuré pour préchauffer la résine par micro-ondes 26. Le dispositif de préchauffage 18’ peut être configuré pour exciter par micro-ondes 26 des molécules polaires 28 contenues dans la résine 24. Dans ce cas, la conduite 22 peut être en polymère pour être transparente aux micro-ondes.
A titre d’exemple, une résine BADGE ou DGEBA (Bisphenol A diglycidyl ether) peut être utilisée. En appliquant la bonne fréquence d’oscillations de ses molécules, il est possible de chauffer rapidement, quasi instantanément la résine. Le dispositif 18’ peut par exemple se présenter sous la forme de blocs de micro-ondes adaptables à une géométrie de conduite de circulation de la résine.
Un exemple de dispositif 18’ est un magnétron. Celui-ci se compose simplement d’aimants toriques s’étendant autour de la conduite 22, et d’une alimentation cathodique.
Le procédé de fabrication d’une pièce composite comprend les étapes consistant à :
- préchauffer la résine au moyen du dispositif de préchauffage 18, 18’ d’au moins 20°C par rapport à la température de la résine dans le piston 10, et
- chauffer la résine au moyen du dispositif de chauffage 14 d’au moins 30°C, avant son injection dans le moule 10.
La température de la résine dans le piston 10 est par exemple de l’ordre de 100°C. On comprend que la résine est préchauffée jusqu’à au moins 120°C, avant sont introduction dans le dispositif de chauffage 14. Le dispositif 14 permet de chauffer la résine jusqu’à une température d’au moins 150°C, ce qui est particulièrement avantageux lorsque la résine comprend un durcisseur qui est ou comprend du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène.
Lors de l’étape de remplissage du moule 12, la résine passe du piston 10 vers le moule 12 en passant par les dispositifs 14, 18, avec un débit compris entre 150cc/min et 300cc/min par exemple. Lorsque le remplissage du moule 12 est terminé, le pilotage de l’injection bascule en pilotage pression et celle-ci est amenée à 15 bars pour éviter la formation de porosités dans la résine. La pression passe elle du piston 10 vers le moule 12 en passant par la conduite 16.
Contrairement à la technique antérieure dans laquelle la totalité du chauffage de la résine est réalisée par le dispositif 14, ce chauffage est ici en partie réalisé par le dispositif 18. Il est ainsi possible de simplifier le dispositif 14 et en particulier de diminuer le nombre de ses plaques 14c, par exemple à moins de cinq.
Plus le préchauffage de la résine est réalisé à une température élevée, et plus le nombre de plaques du dispositif 14 pourra être réduit. A titre, d’exemple, le nombre de plaques est de cinq lorsque la température de préchauffage est de 125°C, de trois lorsque la température de préchauffage est de 140°C, et de un lorsque la température de préchauffage est de 150°C. Les économies en termes de quantité de résine sont proportionnelles à la réduction du nombre de plaques du dispositif 14.
Claims (12)
- Installation de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, cette installation comportant :
- un piston (10) de stockage et de distribution de résine polymérisable, qui comprend une sortie de résine (10a),
- un dispositif (14) de chauffage de la résine, ce dispositif de chauffage étant configuré pour chauffer la résine par conduction et comportant une sortie de résine (14b) et une entrée de résine (14a) reliée à la sortie de résine (10a) du piston (10),
- une conduite de dérivation (16) s’étendant entre les entrée (14a) et sortie de résine (14b) du dispositif de chauffage (14), et
- un moule (12) de réception d’une préforme fibreuse et d’injection de résine pour l’imprégnation de cette préforme, ce moule comportant une entrée de résine (12a) reliée à la sortie de résine (14b) du dispositif de chauffage (14),
- un dispositif de préchauffage (18) de la résine, ce dispositif de préchauffage étant configuré pour préchauffer la résine avant son chauffage par le dispositif de chauffage (14), la sortie de résine (10a) du piston (10) étant reliée à l’entrée de résine (14a) du dispositif de chauffage (14) par le dispositif de préchauffage (18). - Installation selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de préchauffage (18) est configuré pour préchauffer la résine par induction.
- Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dispositif de préchauffage (18) est configuré pour préchauffer par induction au moins une partie d’une conduite (22) en matériau métallique dans laquelle circule ladite résine (24).
- Installation selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de préchauffage (18’) est configuré pour préchauffer la résine (24) par micro-ondes.
- Installation selon la revendication 1 ou 4, dans laquelle le dispositif de préchauffage (18’) est configuré pour exciter par micro-ondes (26) des molécules polaires (28) contenues dans la résine (24).
- Installation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite conduite de dérivation (16) est reliée directement à la sortie de résine (14b) du dispositif de chauffage (14), et par l’intermédiaire du dispositif de préchauffage (18), à l’entrée de résine (14a) du dispositif de chauffage (14).
- Installation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de chauffage (14) est configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 150°C, et le dispositif de préchauffage (18) est configuré pour chauffer la résine à une température supérieure ou égale à 120°C.
- Installation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de chauffage (14) comprend un empilement de plaques (14c) dont au moins certaines comprennent ou définissent des chemins (14d) de circulation de la résine en forme de serpentin.
- Installation selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif de chauffage (14) comporte un empilement de moins de cinq plaques (14c).
- Installation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la résine contenue dans le piston (10) comprend un durcisseur qui est ou comprend du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène.
- Procédé de fabrication d’une pièce composite, en particulier pour un moteur d’aéronef, au moyen d’une installation selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend les étapes consistant à :
- préchauffer la résine au moyen du dispositif de préchauffage (18) d’au moins 20°C par rapport à la température de la résine dans le piston (10), et
- chauffer la résine au moyen du dispositif de chauffage (14) d’au moins 30°C, avant son injection dans le moule (12).
- Procédé selon la revendication précédente, dans laquelle la résine comprend un durcisseur qui est ou comprend du 9,9-Bis(4-amino-3-chlorophényl) fluorène.
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