FR3129868A1 - Pièce de révolution en matériau composite à haute tenue mécanique - Google Patents

Pièce de révolution en matériau composite à haute tenue mécanique Download PDF

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Abstract

Pièce de révolution en matériau composite à haute tenue mécanique Un procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite comprend :- la réalisation d’une ébauche fibreuse (100) sur un mandrin (200) ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, l’ébauche fibreuse s’étendant en largeur suivant une direction axiale (DA) et en épaisseur suivant une direction radiale (DR), et - la mise en forme de l’ébauche fibreuse (100) de manière à obtenir une préforme fibreuse (400), - la densification de la préforme fibreuse par une matrice,caractérisé en ce que la réalisation de l’ébauche fibreuse comprend le tressage successif de plusieurs tresses tridimensionnelles (110, 120, 130, 140) directement sur le mandrin (200), les tresses étant superposées suivant la direction radiale. Figure pour l’abrégé : Fig. 6.

Description

Pièce de révolution en matériau composite à haute tenue mécanique
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces de révolution telles que des carters de turbine à gaz.
Dans le domaine aéronautique, on cherche à réduire la masse des composants des moteurs tout en maintenant à un haut niveau leurs propriétés mécaniques. Par exemple, dans une turbomachine aéronautique, le carter de soufflante définissant le contour de la veine d'entrée d'air du moteur et à l'intérieur duquel est logé le rotor supportant les aubes de la soufflante est maintenant réalisé en matériau composite.
La fabrication d'un carter de soufflante en matériau composite débute par la mise en place par enroulement d'un renfort en fibres sur un mandrin dont le profil épouse celui du carter à réaliser. Le renfort fibreux peut être réalisé, par exemple, par tissage tridimensionnel (3D) ou multicouche comme cela est décrit dans le brevet US 8 322 971. Ce renfort fibreux constitue une préforme fibreuse tubulaire formant une seule pièce avec des flasques correspondant aux brides du carter. La fabrication se poursuit par la densification de la préforme fibreuse par une matrice polymère qui consiste à imprégner la préforme par une résine et à polymériser cette dernière pour obtenir la pièce finale.
La montre une préforme fibreuse 40 mis en forme par enroulement d’une bande tissée 3D ou multicouche sur plusieurs tours sur un moule ou outillage 90 présentant la forme du carter à réaliser. La préforme 40 comporte une zone de recouvrement 41 (encore appelée « overlap ») dans laquelle l’épaisseur de la préforme et, par conséquent, celle du carter résultant, est surdimensionnée car elle comporte une épaisseur de préforme supplémentaire correspondant au chevauchement d’une portion proximale 42, à savoir le début de l’enroulement de la préforme sur le moule, avec une portion distale 43 de la préforme 40, à savoir la fin de l’enroulement de la préforme sur le moule.
Cette zone de recouvrement présente l’inconvénient d’être susceptible d’entraîner des anomalies de production comme :
- une zone de forte teneur en résine si la bande est trop courte,
- une zone de forte teneur en fibre si la bande est trop longue,
- un potentiel risque accru de délamination car il y a une interface supplémentaire entre deux enroulements,
- une perte locale de raideur mécanique.
En outre, cette zone de recouvrement introduit une marche géométrique qui peut avoir une influence sur le comportement mécanique du carter en matériau composite.
La présente invention a donc pour but principal de proposer une solution pour des pièces de révolution en matériau composite qui ne présente pas les inconvénients précités.
Conformément à l’invention, ce but est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une pièce de révolution en matériau composite comprenant :
- la réalisation d’une ébauche fibreuse sur un mandrin ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, l’ébauche fibreuse s’étendant en largeur suivant une direction axiale et en épaisseur suivant une direction radiale, et
- la mise en forme de l’ébauche fibreuse de manière à obtenir une préforme fibreuse,
- la densification de la préforme fibreuse par une matrice,
caractérisé en ce que la réalisation de l’ébauche fibreuse comprend le tressage successif de plusieurs tresses tridimensionnelles directement sur le mandrin, les tresses étant superposées suivant la direction radiale
Le procédé de l’invention permet d’éviter la création d’une zone de recouvrement (« overlap ») dans la préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce en matériau composite. En effet, les tresses sont directement tressées sur un mandrin de sorte que chaque tresse forme une enveloppe tubulaire continue et fermée. La préforme fibreuse résultante ne présente pas le décalage local dans l’épaisseur habituellement présent dans les préformes de l’art antérieur obtenues par enroulement d’une bande fibreuse sur un mandrin.
Les tresses tridimensionnelles permettent d’assurer les raideurs mécaniques et la tenue en fatigue nécessaire vis-à-vis des efforts rencontrés en utilisation. En outre, les tresses étant superposées sans liaison entre elles, une interface de séparation est présente entre deux tresses adjacentes. Cette interface permet de créer des zones de délamination qui sont particulièrement utiles en cas d’impact avec un objet projeté tel qu’une aube dans le cas d’un carter de moteur aéronautique (FBO pour « Fan Blade Out »). En effet, l’énergie de l’impact peut être dissipée au niveau de la ou les interfaces sans que l’objet ne puisse traverser la pièce.
Le procédé de l’invention est en outre plus fiable et plus rapide que ceux de l’art antérieur car la préforme fibreuse est formée directement sur le mandrin.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse, une ou plusieurs tresses sont tressées suivant la direction axiale sur une largeur différente de la largeur des autres tresses. Il est ainsi possible de faire évoluer l’épaisseur de la préforme résultante et, par conséquent, de la pièce finale. Selon un aspect particulier, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse, une ou plusieurs tresses sont tressées suivant la direction axiale sur une largeur inférieure à la largeur de la ou les tresses sous-jacentes et de la ou les tresses sus-jacentes. Cela permet de former une portion de surépaisseur dans la préforme résultante et de réaliser des pièces ayant une épaisseur évolutive pour par exemple former un bouclier de rétention.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, l’ébauche fibreuse s’étend suivant la direction axiale entre des première et deuxième portions d’extrémités, une portion centrale étant délimitée entre les première et deuxième portions d’extrémités, et dans lequel, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse, les première et deuxième portions d’extrémités sont tressées avec une tension appliquée sur les fils de tressage inférieure à la tension appliquée sur les fils de tressage lors du tressage de la portion centrale et/ou avec une vitesse d’avancement du mandrin inférieure à la vitesse d’avancement du mandrin lors du tressage de la portion centrale. On crée ainsi une souplesse locale dans l’ébauche facilitant la mise en forme d’éléments particuliers comme des brides.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, l’ébauche fibreuse s’étend suivant la direction axiale entre des première et deuxième portions d’extrémités, une portion centrale étant délimitée entre les première et deuxième portions d’extrémités, et dans lequel le mandrin comprend des première et deuxième portions inclinées faisant saillie à la surface du mandrin, les première et deuxième portions inclinées étant présentes respectivement au niveau des première et deuxième portions d’extrémités. On crée ainsi un jeu local dans l’ébauche facilitant la mise en forme d’éléments particuliers comme des brides.
L’invention a également pour objet une pièce de révolution en matériau composite comprenant un renfort fibreux s’étendant en largeur suivant une direction axiale et en épaisseur suivant une direction radiale, ledit renfort fibreux étant densifié par une matrice, caractérisée en ce que le renfort fibreux comprend une pluralité de tresses tridimensionnelles superposées suivant la direction radiale, chaque tresse formant un tressage continu le long de la circonférence de la pièce de révolution.
Comme expliqué ci-avant, le renfort fibreux de la pièce de l’invention ne comporte pas de zone de recouvrement (« overlap ») améliorant ainsi les propriétés mécaniques de la pièce. La pièce présente en outre une très bonne tenue à l’impact en raison de la présence d’interface de séparation ou découplage entre les tresses.
Selon une caractéristique particulière de la pièce de l’invention, une ou plusieurs tresses présentent suivant la direction axiale une largeur différente de la largeur des autres tresses. En particulier, une ou plusieurs tresses présentent suivant la direction axiale une largeur inférieure à la largeur de la ou les tresses sous-jacentes et de la ou les tresses sus-jacentes.
La pièce en matériau composite de l’invention peut notamment correspondre à un carter comprenant une virole comportant à ses deux extrémités axiales une bride s’étendant suivant la direction radiale ou à un carter comprenant une virole comportant une portion de surépaisseur formant une zone de rétention, la virole comportant en outre à ses extrémités axiales une bride s’étendant suivant la direction radiale.
La est une vue en coupe d’une préforme fibreuse pour une pièce de révolution selon l’art antérieur,
La est une vue schématique en perspective d’un carter en matériau composite selon un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue très schématique en coupe montrant le tressage d’une première tresse sur un mandrin lors de la réalisation d’une préforme fibreuse du carter de la ,
La est un exemple de tressage tridimensionnel de type interlock,
La est une vue très schématique en coupe montrant le tressage d’une deuxième tresse sur la première tresse de la ,
La est une vue schématique en coupe d’une ébauche fibreuse constituée d’une pluralité de tresses superposées selon un mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en coupe montrant la mise en forme de l’ébauche fibreuse de la ,
La est une vue en coupe montrant le positionnement de secteurs d’injection sur la préforme du carter de la ,
La est une vue schématique en demi-coupe d’un carter en matériau composite selon un autre mode de réalisation de l’invention,
La est une vue très schématique en coupe montrant le tressage d’une tresse de largeur inférieure sur deux tresses sous-jacentes lors de la réalisation d’une préforme fibreuse du carter de la ,
La est une vue schématique en coupe d’une ébauche fibreuse constituée d’une pluralité de tresses superposées selon un autre mode de réalisation de l’invention,
La est une vue schématique en coupe montrant la mise en forme de l’ébauche fibreuse de la .

Claims (11)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce de révolution (10) en matériau composite comprenant :
    - la réalisation d’une ébauche fibreuse (100) sur un mandrin (200) ayant un profil correspondant à celui de la pièce à fabriquer, l’ébauche fibreuse s’étendant en largeur suivant une direction axiale (DA) et en épaisseur suivant une direction radiale (DR), et
    - la mise en forme de l’ébauche fibreuse (100) de manière à obtenir une préforme fibreuse (400),
    - la densification de la préforme fibreuse par une matrice,
    caractérisé en ce que la réalisation de l’ébauche fibreuse comprend le tressage successif de plusieurs tresses tridimensionnelles (110, 120, 130, 140) directement sur le mandrin (200), les tresses étant superposées suivant la direction radiale.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse (500), une ou plusieurs tresses (530, 540) sont tressées suivant la direction axiale (DA) sur une largeur différente de la largeur des autres tresses (510, 520, 550).
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse (500), une ou plusieurs tresses (530, 540) sont tressées suivant la direction axiale (DA) sur une largeur inférieure à la largeur de la ou les tresses sous-jacentes (510, 520) et de la ou les tresses sus-jacentes (550).
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, l’ébauche fibreuse (100) s’étend suivant la direction axiale (DA) entre des première et deuxième portions d’extrémités (102, 103), une portion centrale (101) étant délimitée entre les première et deuxième portions d’extrémités, et dans lequel, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse (100), les première et deuxième portions d’extrémités (102, 103) sont tressées avec une tension appliquée sur les fils de tressage inférieure à la tension appliquée sur les fils de tressage lors du tressage de la portion centrale (101).
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, l’ébauche fibreuse (100) s’étend suivant la direction axiale (DA) entre des première et deuxième portions d’extrémités (102, 103), une portion centrale (101) étant délimitée entre les première et deuxième portions d’extrémités, et dans lequel, lors de la réalisation de l’ébauche fibreuse (100), les première et deuxième portions d’extrémités (102, 103) sont tressées avec une vitesse d’avancement du mandrin (200) inférieure à la vitesse d’avancement du mandrin lors du tressage de la portion centrale (101).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, l’ébauche fibreuse (100) s’étend suivant la direction axiale (DA) entre des première et deuxième portions d’extrémités (102, 103), une portion centrale (101) étant délimitée entre les première et deuxième portions d’extrémités, et dans lequel le mandrin comprend des première et deuxième portions inclinées faisant saillie à la surface du mandrin, les première et deuxième portions inclinées étant présentes respectivement au niveau des première et deuxième portions d’extrémités
  7. Pièce de révolution (10) en matériau composite comprenant un renfort fibreux (400) s’étendant en largeur suivant une direction axiale (DA) et en épaisseur suivant une direction radiale (DR), ledit renfort fibreux étant densifié par une matrice, caractérisée en ce que le renfort fibreux comprend une pluralité de tresses tridimensionnelles (110, 120, 130, 140) superposées suivant la direction radiale, chaque tresse formant un tressage continu le long de la circonférence de la pièce de révolution.
  8. Pièce selon la revendication 7, dans laquelle une ou plusieurs tresses (530, 540) présentent suivant la direction axiale (DA) une largeur différente de la largeur des autres tresses (510, 540, 550).
  9. Pièce selon la revendication 8, dans laquelle une ou plusieurs tresses (630, 540) présentent suivant la direction axiale (DA) une largeur inférieure à la largeur de la ou les tresses sous-jacentes (510, 520) et de la ou les tresses sus-jacentes (550).
  10. Pièce selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, la pièce correspondant à un carter (10) comprenant une virole (11) comportant à ses deux extrémités axiales une bride (12, 13) s’étendant suivant la direction radiale (DR).
  11. Pièce selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle la pièce correspondant à un carter (20) comprenant une virole comportant une portion de surépaisseur (26) formant une zone de rétention, la virole comportant en outre à ses extrémités axiales une bride (22, 23) s’étendant suivant la direction radiale (DR).
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