FR3129102A1 - Procede de fabrication d’une aube composite pour un moteur d’aeronef - Google Patents

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Maxime Marie Désiré BLAISE
Pierre-Antoine BOSSAN
Nicolas DROZ
Nicolas QUAGLIA
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Abstract

Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comprenant les étapes consistant à : a) disposer une préforme (24) réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule (30), une colle (26) polymérisable étant intercalée entre un bouclier et un bord de la préforme, b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule, caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant des montées en température, de T1 à T2, puis de T2 à T3, et en ce que l’injection de résine intervient à l’étape b) pendant ou juste avant la montée en température de T2 à T3, la température T2 étant choisie pour que la viscosité de la colle soit très supérieure à la viscosité de la résine. Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE COMPOSITE POUR UN MOTEUR D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine 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.
Pour la fabrication d’une aube, par exemple de soufflante de turbomachine, une préforme est réalisée par tissage puis est imprégnée avec la résine afin de former une pale. Cette pale comporte un intrados et un extrados qui s’étendent depuis un bord d’attaque jusqu’à un bord de fuite de la pale.
Le matériau composite de la pale est relativement fragile, et en particulier sensible aux chocs, et il est connu de le protéger au moyen d’un bouclier métallique qui est rapporté et fixé sur le bord d’attaque de la pale.
Le bouclier peut être fixé à la pale de plusieurs façons. Une première façon consiste à coller le bouclier sur la pale, après polymérisation de la résine. La colle se présente alors sous forme d’une pâte ou d’un film.
Dans la technique actuelle, l’appairage des boucliers sur les bords des aubes est une étape clé et contraignante de la gamme de fabrication. En effet, les boucliers sont des pièces très complexes et peuvent varier de l’un à l’autre en fonction des fabricants et des tolérances de fabrication et peuvent ainsi avoir des particularités géométriques différentes.
Il est donc nécessaire, avant d’appairer et de coller un bouclier sur le bord d’une aube, de s’assurer que les dimensions et formes du bouclier sont bien conformes à celles de l’aube de façon à optimiser la surface de collage et donc la santé matière de la pièce une fois collée (épaisseur de colle, taux de porosité, etc.).
S’affranchir de l’étape de collage et l’intégrer directement à l’étape d’injection permet donc de conformer directement la géométrie de l’interface de collage à la géométrie du bord de l’aube en tout point et donc de supprimer l’étape de recherche du couple optimum bouclier / bord de l’aube. Ceci permet également d’éviter toute opération de préparation de surface de l’aube avant collage. Enfin, cela permet de s’affranchir de passage supplémentaire dans un équipement de traitement thermique (four, autoclave, etc.).
On a déjà proposé une autre façon de fixer un bouclier sur une pale, qui consiste à fixer le bouclier par co-moulage avec la préforme fibreuse. De la colle est disposée entre le bouclier et la préforme et l’ensemble est disposé dans le moule. La résine injectée imprègne la préforme et une étape de cuisson permet de d’assurer la polymérisation et le durcissement de la colle et de la résine.
Cependant, cette façon de faire génère des problèmes techniques qui sont de :
1. assurer un collage optimal du bouclier par la colle en ayant en même temps l’injection et la polymérisation de la résine ; pour cela, il faut entre autres : (i) polymériser la colle dans une gamme de temps/température permettant d’avoir la bonne pégosité/viscosité et le minimum d’avancement du taux de polymérisation de la colle, (ii) que la température de traitement thermique de la colle soit dans la gamme préconisée (au-dessus de sa température de transition vitreuse, Tg), et (iii) polymériser la colle et injecter la résine dans un environnement de production et non seulement en laboratoire ;
2. assurer une bonne santé matière de la résine et de la colle (porosité, Tg, taux d’avancement de la résine, résistance mécanique de la colle) assurant les propriétés mécaniques du composite ; pour cela, il faut : (i) définir un cycle de cuisson de la résine compatible du cycle de polymérisation de la colle, et (ii) pouvoir mettre sous pression le moule avec un taux d’avancement de la résine et de la colle le plus faible possible pour éviter les porosités d’origine chimique ; et
3. maitriser la profondeur de diffusion de la colle dans la préforme ; pour cela, il faut définir un cycle d’injection de la résine dans une gamme de temps/température permettant à la résine de ne pas altérer et de ne pas déplacer par fluage la colle ou ne pas se mélanger à la colle de manière incontrôlée.
La présente invention propose un perfectionnement à l’autre façon évoquée plus haut pour fabriquer une aube composite en apportant une solution à au moins une partie des problèmes évoqués ci-dessus.
L’invention propose un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale comportant un intrados et un extrados qui s’étendent depuis un bord d’attaque jusqu’à un bord de fuite de la pale, l’aube comportant en outre un bouclier métallique s’étendant le long du bord d’attaque de la pale, le procédé comprenant les étapes consistant à :
a) disposer une préforme réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule, le bouclier étant positionné sur un bord de la préforme destiné à former le bord d’attaque de la pale, et une colle polymérisable étant intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme,
b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule afin qu’elle imprègne la préforme de façon à former la pale après solidification,
caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant :
  • une première montée en température depuis une température T1 jusqu’à une température T2,
  • éventuellement un premier palier de maintien en température T2 pendant une durée prédéterminée,
  • une seconde montée en température depuis la température T2 jusqu’à une température T3, et
  • un second palier de maintien en température T3 pendant une durée prédéterminée,
et en ce que :
  • l’injection de résine intervient à l’étape b) pendant la seconde montée en température, ou juste avant cette seconde montée en température, et
  • la température T2 est choisie pour que Vc > K.Vr à cette température, Vc étant la viscosité de la colle, Vr étant la viscosité de la résine, et K étant un facteur supérieur ou égal à 100.
L’invention propose ainsi d’assurer la fixation du bouclier sur la pale par co-moulage et par une colle. La colle est intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme et peut être déposée sur le bouclier ou directement sur le bord de l’aube, avant application du bouclier sur ce bord. La colle est destinée à améliorer et maintenir la position du bouclier sur le bord de la préforme, et pour améliorer également la tenue et la résistance à l’arrachement du bouclier vis-à-vis de la pale. On comprend donc que, lors de l’injection de résine dans le moule de fabrication de la pale, cette résine va imprégner la préforme et va également venir au contact de la colle voire également du bouclier, assurant ainsi une fixation optimale du bouclier sur l’aube.
L’invention propose un cycle particulier de chauffage du moule qui répond à au moins une partie des problèmes techniques évoqués dans ce qui précède.
Une des particularités de ce cycle est qu’il comprend des montées successives en température et au moins un palier. Le premier palier est en effet optionnel. En l’absence de ce premier palier, on comprend alors que l’injection de résine est réalisée lorsque le moule est à la température T2, qu’il y ait ou non un premier palier à cette température, ou lorsque le moule est à une température comprise entre T2 et T3.
L’injection de la résine à l’étape b) intervient (pendant ou juste avant la seconde montée en température) à une température qui peut être relativement basse (par rapport à la température de polymérisation ou de transition vitreuse de la colle) afin que la colle ne polymérise pas avant que l’injection de la résine ne commence. D’autre part, plus la température du moule est basse, plus le délai avant de lancer l’injection peut être long et permet donc beaucoup plus de flexibilité en production.
Un des objectifs de l’invention est d’injecter la résine au moment le plus adéquat pendant ce cycle, et en particulier lorsque le moule est à une température (supérieure ou égale à T2) à laquelle les viscosités de la résine et de la colle sont très différentes. A cette température, la viscosité de la colle est très supérieure à celle de la résine. La résine injectée dans le moule et qui vient au contact de la colle ne risque donc pas de se mélanger avec elle et de la déplacer. Ceci permet de garder deux phases distinctes (de la résine et de la colle, respectivement) bien définies, d’épaisseur contrôlée et répétable durant l’injection de la résine. A l’interface entre la résine et la colle, un mélange de ces matériaux peut toutefois intervenir et former une interphase. La température de la résine influe sur sa viscosité et est adaptée pour que la résine puisse imprégner l’ensemble de la préforme avant la poursuite du cycle de chauffage.
Le cycle de chauffage définit ainsi un compromis prenant en compte les contraintes de chaque espèce chimique impliqué dans le bon collage d’un bouclier sur le bord d’une aube.
Le procédé 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 :
- T2 est comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 80 et 120°C, et plus préférentiellement entre 90 et 110°C ;
- la première montée en température est de préférence choisie pour ne pas altérer les propriétés de la colle, et est par exemple comprise entre 1 et 10°C par minute, de préférence entre 1 et 5°C par minute, et plus préférentiellement entre 2 et 3°C par minute ; ce choix peut être fait en fonction des spécificités de la colle détaillées dans la fiche technique fournie par le fournisseur de la colle ;
- la température T1 est une température ambiante ;
- l’injection commence au début de la seconde montée en température ;
- l’injection commence après le début de la seconde montée en température ; ce qui constitue donc une variante ; deux cycles de chauffage sont ainsi proposés ;
- K est supérieur ou égal à 300 ; il est par exemple compris entre 300 et 1500 ;
- la durée du premier palier est comprise entre 30 minutes et 2 heures ; cette durée peut être choisie pour s’assurer que le moule a bien une température homogène ;
- la résine est préchauffée à une température Tr avant son injection à l’étape b) ; le préchauffage de la résine peut avoir un double intérêt ; le préchauffage de la résine, par exemple dans un cylindre d’injection, à une température comprise 100°C et 130°C, permet de baisser la viscosité de la résine et donc de permettre son injection ; le préchauffage de la résine, par exemple dans un élément chauffant (typiquement un préchauffeur externe, mais peut être effectué par un entrefer dans le moule), à une température supérieure à 160°C, permet de faire fondre un durcisseur et d’activer ce dernier ; en effet,, la résine comprend un durcisseur qui doit être dissout par chauffage dans la résine avant son injection dans le moule ;; la dissolution du durcisseur dans le moule après injection de la résine pourrait ne pas être complète si elle était obtenue par simple chauffage de la résine à travers le moule ;
- la température Tr est supérieure à la température T2, et est par exemple supérieure ou égale à 100°C, de préférence supérieure ou égale à 130°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C ;
- T3 est supérieure ou égale à 140°C, de préférence supérieure ou égale à 150°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C ;
- la durée du second palier est comprise entre 10 minutes et 1 heure, de préférence entre 20 et 40 minutes, et plus préférentiellement de 30 minutes ; cette valeur peut dépendre de l’application envisagée pour l’aube et notamment des effets de masse dus à la forme (épaisseur) de l’aube ; ce palier peut être considéré comme un palier de maintien en pression car la résine peut continuer à être injectée à une certaine pression pour maintenir la préforme injectée de résine sous une pression donnée nécessaire pour éviter l’apparition de bulles et donc de porosité dans l’aube composite ;
- le cycle comprend en outre :
  • une troisième montée en température depuis la température T3 jusqu’à une température T4, et
  • un troisième palier de maintien en température T4 pendant une durée prédéterminée ;
- la température T4 est supérieure aux températures de transition vitreuse de la résine et de la colle, et est par exemple supérieure ou égale à 160°C, de préférence supérieure ou égale à 170°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 180°C ;
- la durée du troisième palier est comprise entre 1 heure et 3 heures, et de préférence entre 1h30 et 2h30 ; ce palier peut être considéré comme un palier de polymérisation ou de cuisson de l’aube ;
- le bouclier ou un autre bouclier s’étend le long du bord de fuite de la pale, et/ou le long d’un sommet de la pale ;
- l’aube est un OGV, acronyme de l’anglaisOuter Guide Vane, c’est-à-dire une aube de guidage de stator.
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 :
la est une vue schématique en perspective d’une aube composite de turbomachine d’aéronef,
la est un schéma bloc montrant des étapes d’un procédé selon l’invention de fabrication d’une aube telle que celle représentée à la ,
la est une vue schématique en perspective d’un moule dans lequel sont destinés à être disposés une préforme et un bouclier, et dans lequel est destinée à être injectée une résine,
la est un graphe représentant un cycle de chauffage d’un moule de fabrication d’une aube selon la , et illustre deux variantes de réalisation de l’invention,
la est un graphe représentant l’évolution de la viscosité d’une résine polymérisable en fonction de la durée et de la température de chauffage de cette résine.

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale (12) comportant un intrados (14) et un extrados (16) qui s’étendent depuis un bord d’attaque (12a) jusqu’à un bord de fuite (12b) de la pale, l’aube comportant en outre un bouclier métallique (22) s’étendant le long du bord d’attaque de la pale, le procédé comprenant les étapes consistant à :
    a) disposer une préforme (24) réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule (30), le bouclier étant positionné sur un bord de la préforme destiné à former le bord d’attaque de la pale, et une colle (26) polymérisable étant intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme,
    b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule afin qu’elle imprègne la préforme de façon à former la pale après solidification,
    caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant :
    • une première montée en température depuis une température T1 jusqu’à une température T2,
    • éventuellement un premier palier de maintien en température T2 pendant une durée prédéterminée,
    • une seconde montée en température depuis la température T2 jusqu’à une température T3, et
    • un second palier de maintien en température T3 pendant une durée prédéterminée,
    et en ce que :
    • l’injection de résine intervient à l’étape b) pendant la seconde montée en température, ou juste avant cette seconde montée en température, et
    • la température T2 est choisie pour que Vc > K.Vr à cette température, Vc étant la viscosité de la colle, Vr étant la viscosité de la résine, et K étant un facteur supérieur ou égal à 100.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel T2 est comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 80 et 120°C, et plus préférentiellement entre 90 et 110°C.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première montée en température est comprise entre 1 et 10°C par minute, de préférence entre 1 et 5°C par minute, et plus préférentiellement entre 2 et 3°C par minute.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température T1 est une température ambiante.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’injection commence au début de la seconde montée en température.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’injection commence après le début de la seconde montée en température.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel K est supérieur ou égal à 300.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée du premier palier est comprise entre 30 minutes et 2 heures.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la résine est préchauffée à une température Tr avant son injection à l’étape b).
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la température Tr est supérieure à la température T2, et est par exemple supérieure ou égale à 100°C, de préférence supérieure ou égale à 130°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.
  11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel T3 est supérieure ou égale à 140°C, de préférence supérieure ou égale à 150°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.
  12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée du second palier est comprise entre 10 minutes et 1 heure, de préférence entre 20 et 40 minutes, et plus préférentiellement de 30 minutes.
  13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le cycle comprend en outre :
    • une troisième montée en température depuis la température T3 jusqu’à une température T4, et
    • un troisième palier de maintien en température T4 pendant une durée prédéterminée.
  14. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la température T4 est supérieure aux températures de transition vitreuse de la résine et de la colle, et est par exemple supérieure ou égale à 160°C, de préférence supérieure ou égale à 170°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 180°C.
  15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la durée du troisième palier est comprise entre 1 heure et 3 heures, et de préférence entre 1h30 et 2h30.
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