FR3129975A1 - Aube composite a bouclier integre et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Aube (16) en matériau composite à matrice en polymère renforcée par des fibres continues en carbone, l’aube comprenant un corps d’aube (18) comprenant des fibres continues en carbone tissées, le corps d’aube comprenant un bord d’attaque (20) et un bord de fuite (22) et une âme métallique (28) disposée près du bord d’attaque (20) sur une hauteur totale (H) du corps d’aube, l’âme métallique (28) étant complètement recouverte par les fibres continues en carbone tissées. Procédé de fabrication d’une telle aube. Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
Le présent exposé concerne une aube en matériau composite, telle qu’une aube tournante ou une aube directrice.
On entend par « aubes », dans ce contexte, tant les aubes de soufflante que les pales d’hélice aérienne. Afin de limiter leur poids, ces aubes sont typiquement en composite à matrice en polymère renforcée par des fibres. Bien que ces matériaux présentent des qualités mécaniques généralement très favorables, en particulier par rapport à leur masse, ils sont particulièrement sensibles aux impacts ponctuels, qui peuvent générer notamment des phénomènes de délaminage au sein du matériau. Des boucliers, typiquement en matériau métallique hautement résistant, comme les alliages de titane, sont donc normalement installés sur les bords d’attaque de telles aubes, afin de les protéger contre ces impacts. Ces boucliers prennent normalement la forme d’une fine ailette intrados et une fine ailette extrados jointes par une section plus épaisse chevauchant le bord d’attaque, l’ensemble épousant la forme de l’aube sur le bord d’attaque et des sections adjacentes de l’intrados et de l’extrados. Les ailettes intrados et extrados s’étendent sur ces sections de, respectivement, l’intrados et l’extrados de l’aube, et servent principalement à assurer le positionnement et la fixation du bouclier sur le bord d’attaque.
Afin d’améliorer les performances aérodynamiques des aubes, leurs bords d’attaque présentent des formes de plus en plus complexes, ce qui complique la fabrication des boucliers devant épouser ces formes ainsi que la solidarisation du bouclier sur l’aube. Les étapes de fabrication du bord d’attaque et/ou d’assemblage du bouclier sur le bord d’attaque l’aube peut entraîner
Par ailleurs, lors d’impacts sur une aube, le bouclier peut se désolidariser au moins partiellement du bord d’attaque de l’aube en composite et engendrer une altération des performances aérodynamiques liée à la dégradation de l’aérodynamisme de l’aube accompagnées d’un balourd dans le cas d’une perte partielle du bouclier. En outre, si une portion du bouclier est arrachée, le bord d’attaque de l’aube n’est plus protégé sur toute sa hauteur, le composite au bord d’attaque de l’aube mis à nu est soumis aux agressions de l’environnement extérieur. Le profil qui en résulte est généralement irrégulier ce qui entraîne également une perte d’aérodynamisme. Il faut alors réparer l’aube et/ou la remplacer.
Toutefois, le bouclier de bord d’attaque peut présenter de nombreuses non-conformités. A titre d’exemples non-limitatifs de non-conformités, le bouclier de bord d’attaque peut présenter une cavité trop large ou trop resserrée et/ou des ondulations ou stries au niveau des ailettes.
De même, après assemblage du bouclier de bord d’attaque sur le corps d’aube, l’ensemble peut présenter de nombreuses non-conformités. En effet, même lorsque le bouclier de bord d’attaque métallique est conforme il arrive que l’assemblage par collage du bouclier de bord d’attaque sur le corps d’aube soit finalement non conforme sans que la ou les non-conformité(s) ne soi(en)t dues au corps d’aube.
Il peut en outre s’avérer difficile d’appairer un corps d’aube à un bouclier de bord d’attaque. Le contrôle non destructif de l’assemblage par collage du bouclier de bord d’attaque sur le corps d’aube est complexe et la réparation d’un bouclier de bord d’attaque endommagé reste relativement complexe et coûteux.
Le bouclier de bord d’attaque tel qu’il existe actuellement induit donc beaucoup de non-conformités et de coûts sur tout son cycle de vie. En effet, de la fabrication du bouclier de bord d’attaque (prix matière élevée, beaucoup d’opérations de transformation, beaucoup de rebut) en passant par son assemblage par collage (préparation de surface indispensable, passage en cycle autoclave long, nombre de pièces limité dans l’autoclave) à sa réparabilité (biaisage), les non-conformités sont nombreuses et occasionnent des coûts qui pourraient être réduits.
La problématique posée est donc non seulement la difficulté à produire suffisamment de pièces conformes mais également à réduire le coût des pièces et à assurer la robustesse de la gamme.
Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.
Le présent exposé concerne une aube en matériau composite à matrice en polymère renforcée par des fibres continues en carbone, l’aube comprenant un corps d’aube comprenant des fibres continues en carbone tissées, le corps d’aube comprenant un bord d’attaque et un bord de fuite et une âme métallique disposée près du bord d’attaque sur une hauteur totale du corps d’aube, l’âme métallique étant complètement recouverte par les fibres continues en carbone tissées.
Grâce à l’âme métallique, il est possible d’obtenir une aube en matériau composite qui présente une raideur satisfaisante ainsi qu’une géométrie complexe tout en réduisant les non-conformités liées à la fabrication de l’âme métallique et/ou à l’assemblage de l’âme métallique et du corps d’aube. Par ailleurs, l’âme métallique est plus facile à fabriquer qu’un bouclier de bord d’attaque qui présente des ailettes. Par ailleurs, l’âme métallique étant comprise dans le corps d’aube, l’assemblage entre l’âme métallique et le corps d’aube est facilité.
A titre d’exemples non-limitatifs, l’âme métallique peut être en alliage métallique n’ayant pas d’interaction chimique avec les fibres en carbone, par exemple, en acier ou en alliage à base de titane.
Dans certains modes de réalisation, le corps d’aube comprend une tête d’aube et un pied d’aube et le corps d’aube comporte en surface des torons de fibre de verre et/ou de kevlar® tissés avec les fibres continues en carbone, les torons de fibre de verre et/ou de kevlar® s’étendant du bord d’attaque sur une longueur de corde inférieure ou égale à 50% et sur une partie de la hauteur du corps d’aube.
Les fibres de verre et/ou de kevlar® en surface confèrent une meilleure résistance aux impacts.
Dans certains modes de réalisation, le corps d’aube comprend une tête d’aube et un pied d’aube et le corps d’aube comporte en surface des torons de fibre de verre et/ou de kevlar® tissés avec les fibres continues en carbone, les torons de fibre de verre et/ou de kevlar® s’étendant du bord d’attaque au bord de fuite sur une partie de la hauteur du corps d’aube.
Dans certains modes de réalisation, les torons de fibre de verre et/ou de kevlar® sont disposés en tête d’aube sur une hauteur inférieure ou égale à 45% de la hauteur totale du corps d’aube, de préférence inférieure ou égale à 30%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 25%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15%.
Dans certains modes de réalisation, les torons de fibre de verre et/ou de kevlar® sont disposés en pied d’aube sur une hauteur inférieure ou égale à 45% de la hauteur totale du corps d’aube, de préférence inférieure ou égale à 30%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 25%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 15%.
Dans certains modes de réalisation, l’âme métallique présente en vue en coupe un nez arrondi, une première face et une deuxième face prolongeant le nez arrondi et une troisième face plane reliant la première face et la deuxième face, les fibres continues en carbone tissées ayant, en vue en coupe, une épaisseur constante sur la première face et/ou la deuxième face et une épaisseur sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
Dans certains modes de réalisation, l’âme métallique présente en vue en coupe un nez arrondi, une première face et une deuxième face prolongeant le nez arrondi et une troisième face plane reliant la première face et la deuxième face, les fibres continues en carbone tissées ayant, en vue en coupe, une épaisseur variable sur la première face et/ou la deuxième face et une épaisseur sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
Dans certains modes de réalisation, les fibres continues en carbone tissées ont une épaisseur constante sur une hauteur totale de la première face et/ou de la deuxième face et une épaisseur constante sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
Dans certains modes de réalisation, les fibres continues en carbone tissées ont une épaisseur variable sur une hauteur totale de la première face et/ou de la deuxième face et une épaisseur constante sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite à matrice en polymère renforcée par des fibres continues telle que définie précédemment, comportant les étapes :
- fabrication de l’âme métallique ;
- traitement de surface de l’âme métallique
- tissage tridimensionnel de fibres continues en carbone, pour former une ébauche de corps d’aube ;
- découpe de fils de trame et de chaine ;
- mise en forme de l’ébauche de corps d’aube pour former une préforme de corps d’aube dans un moule de formage ;
- insertion de l’âme métallique dans la préforme de corps d’aube ;
- séchage et compactage de la préforme de corps d’aube ;
- injection d’un polymère dans la préforme de corps d’aube dans un moule d’injection ;
- polymérisation du polymère.
Dans certains modes de réalisation, le tissage tridimensionnel comprend en surface le tissage tridimensionnel de fibres continues en carbone et de fibres de verre et/ou de kevlar®.
D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.
Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
Claims (11)
- Aube (16, 32) en matériau composite à matrice en polymère renforcée par des fibres continues en carbone, l’aube comprenant un corps d’aube (18) comprenant des fibres continues en carbone tissées, le corps d’aube comprenant un bord d’attaque (20) et un bord de fuite (22) et une âme métallique (28) disposée près du bord d’attaque (20) sur une hauteur totale (H) du corps d’aube, l’âme métallique (28) étant complètement recouverte par les fibres continues en carbone tissées.
- Aube (16, 32) selon la revendication 1, dans laquelle le corps d’aube (18) comprend une tête d’aube (24) et un pied d’aube (26) et le corps d’aube comporte en surface des torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® tissés avec les fibres continues en carbone, les torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® s’étendant du bord d’attaque (20) sur une longueur de corde inférieure ou égale à 50% et sur une partie de la hauteur (H) du corps d’aube.
- Aube (16, 32) selon la revendication 1, dans laquelle le corps d’aube comprend une tête d’aube (24) et un pied d’aube (26) et le corps d’aube comporte en surface des torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® tissés avec les fibres continues en carbone, les torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® s’étendant du bord d’attaque (20) au bord de fuite (20) sur une partie de la hauteur (H) du corps d’aube.
- Aube (16, 32) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® sont disposés en tête d’aube (24) sur une hauteur inférieure ou égale à 45% de la hauteur totale du corps d’aube, de préférence inférieure ou égale à 30%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 25%.
- Aube (16, 32) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans laquelle les torons (30) de fibre de verre et/ou de kevlar® sont disposés en pied d’aube (26) sur une hauteur inférieure ou égale à 45% de la hauteur totale du corps d’aube, de préférence inférieure ou égale à 30%, encore plus de préférence inférieure ou égale à 25%.
- Aube (16, 32) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’âme métallique (28) présente en vue en coupe un nez arrondi (28-1), une première face (28-2) et une deuxième face (28-3) prolongeant le nez arrondi et une troisième face plane (28-4) reliant la première face et la deuxième face, les fibres continues en carbone tissées ayant, en vue en coupe, une épaisseur constante sur la première face (28-1) et/ou la deuxième face (28-3) et une épaisseur sur le nez arrondi (28-1), l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
- Aube (16, 32) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l’âme métallique (28) présente en vue en coupe un nez arrondi (28-1), une première face (28-2) et une deuxième face (28-3) prolongeant le nez arrondi et une troisième face plane (28-4) reliant la première face et la deuxième face, les fibres continues en carbone tissées ayant, en vue en coupe, une épaisseur variable sur la première face (28-2) et/ou la deuxième face (28-3) et une épaisseur sur le nez arrondi (28-1), l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
- Aube (16, 32) selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les fibres continues en carbone tissées ont une épaisseur constante sur une hauteur totale de la première face et/ou de la deuxième face et une épaisseur constante sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
- Aube (16, 32) selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les fibres continues en carbone tissées ont une épaisseur variable sur une hauteur totale de la première face et/ou de la deuxième face et une épaisseur constante sur le nez arrondi, l’épaisseur sur le nez arrondi étant supérieure ou égale à l’épaisseur sur la première face et à l’épaisseur sur la deuxième face.
- Procédé de fabrication (100) d’une aube (16, 32) en matériau composite à matrice en polymère renforcée par des fibres continues selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comportant les étapes :
- fabrication (102) de l’âme métallique (28) ;
- traitement de surface (104) de l’âme métallique
- tissage tridimensionnel (106) de fibres continues en carbone, pour former une ébauche de corps d’aube ;
- découpe (108) de fils de trame et de chaine ;
- mise en forme (110) de l’ébauche de corps d’aube pour former une préforme de corps d’aube dans un moule de formage ;
- insertion (112) de l’âme métallique dans la préforme de corps d’aube ;
- séchage et compactage (114) de la préforme de corps d’aube ;
- injection (116) d’un polymère dans la préforme de corps d’aube dans un moule d’injection ;
- polymérisation (118) du polymère.
- Procédé (100) selon la revendication 10, dans lequel le tissage tridimensionnel (106) comprend en surface le tissage tridimensionnel de fibres continues en carbone et de fibres de verre et/ou de kevlar®.
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