FR3130190A1 - Dispositif amélioré de drapage de matériau thermoplastique pour la fabrication de pièces aéronautiques - Google Patents

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Abstract

Dispositif amélioré de drapage de matériau thermoplastique pour la fabrication de pièces aéronautiques Dispositif de drapage (100) de matériau thermoplastique (TP) pour la fabrication de pièces aéronautiques (10), comprenant un outil de dépose (110) présentant une face avant (112) et une face arrière (114) définies par rapport à un sens de déplacement de l’outil de dépose (110) au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP), l’outil de dépose (110) étant configuré pour déposer des bandes d’un matériau thermoplastique (TP) sur un substrat (S) par l’intermédiaire d’une tête de dépose (130) et comprenant en outre une unité primaire de chauffage (140) fixée sur la face avant (112) de l’outil de dépose (110) et configurée pour chauffer la tête de dépose (130), et une unité secondaire de chauffage (150) distincte de l’unité primaire de chauffage (140) et configurée pour chauffer au moins l’un du matériau thermoplastique (TP), du substrat (S) ou de la tête de dépose (130), à des températures inférieures aux températures de l’unité primaire de chauffage (140). Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Dispositif amélioré de drapage de matériau thermoplastique pour la fabrication de pièces aéronautiques
Le présent exposé concerne le domaine des pièces aéronautiques en composite à matrice thermoplastique, et notamment la fabrication de ces pièces par drapage automatisé de matériau thermoplastique. Plus précisément, le présent exposé concerne un dispositif de drapage de matériau thermoplastique pour la fabrication de telles pièces aéronautiques, et un procédé de fabrication utilisant un tel dispositif.
Dans l’industrie aéronautique, il est courant d’utiliser des pièces stratifiées en composite à matrice thermoplastique, ce matériau étant particulièrement performant et compatible avec l’environnement moteur aéronautique. Par exemple, dans le cadre de l’isolation des moteurs d’aéronefs et de la réduction du bruit émis par ces moteurs, les solutions actuelles utilisent des panneaux acoustiques, dits « panneaux sandwiches », utilisant de tels matériaux. Toutefois, les nacelles, le fuselage ou l’intérieur de la cabine peuvent également être équipés de ces matériaux.
De manière connue, ces pièces peuvent être fabriquées par drapage automatisé de composite à matrice thermoplastique. Ce drapage est effectué par des outils de dépose connus en soi, tels que des robots dits « AFP », pour « automated fiber placement » en anglais, déposant successivement des mèches, ou bandes pré-imprégnées parallèles entre elles et sur plusieurs couches, dites « plis ».
Lors du drapage des composites à matrice thermoplastique, les outils de dépose précités permettent d’apporter la pression nécessaire et la chaleur, par l’intermédiaire d’un laser par exemple, nécessaire à l’adhésion du dernier pli déposé et celui en cours de dépôt, et ainsi de réaliser une consolidation « in-situ », sans nécessité de cycles thermiques supplémentaires dans un autoclave.
Néanmoins, ces solutions ne permettent pas de maitriser les propriétés du matériau, telles que le niveau de cristallinité. En effet, la santé matière de la pièce, notamment sa rigidité ou sa raideur, dépend essentiellement des conditions de température et de pression subies par la bande pré-imprégnée pendant le bref instant où celle-ci traverse la zone de drapage, les gradients thermiques vus par la matière étant très importants à la chauffe comme au refroidissement. Or les propriétés intrinsèques (cristallinité, porosité, diffusion/reptation) des bandes de composite thermoplastique sont particulièrement dépendantes de son historique thermique.
Une solution classiquement utilisée consiste à utiliser un substrat (ou moule) de drapage chauffant. Bien que cette approche présente des avantages, son effet est limité au substrat de drapage, ne permet pas de maîtriser précisément les propriétés du matériau thermoplastique et engendre des déperditions d’énergie importantes.
Il existe donc un besoin pour palier au moins en partie les inconvénients précités.
Le présent exposé concerne un dispositif de drapage de matériau thermoplastique pour la fabrication de pièces aéronautiques, comprenant :
- un outil de dépose présentant une face avant et une face arrière définies par rapport à un sens de déplacement de l’outil de dépose au cours d’un drapage du matériau thermoplastique, l’outil de dépose étant configuré pour déposer des bandes d’un matériau thermoplastique sur un substrat par l’intermédiaire d’une tête de dépose, et comprenant en outre une unité primaire de chauffage fixée sur la face avant de l’outil de dépose et configurée pour chauffer la tête de dépose,
- une unité secondaire de chauffage distincte de l’unité primaire de chauffage et configurée pour chauffer au moins l’un du matériau thermoplastique, du substrat ou de la tête de dépose à des températures inférieures aux températures de l’unité primaire de chauffage.
Par « sens de déplacement de l’outil de dépose », on comprend le sens dans lequel l’outil de dépose se déplace par rapport au substrat au cours d’un drapage du matériau thermoplastique. En particulier, l’outil de dépose déposant le matériau thermoplastique sous la forme d’une bande (ou mèche, ou ruban), en déroulant cette dernière sur la surface du substrat à la manière d’un rouleau de scotch, se déplace nécessairement dans un sens privilégié permettant ce déroulage, correspondant au « sens de déplacement » selon l’exposé. La face avant de l’outil de dépose est donc la face tournée dans la direction de déplacement de celui-ci, et la face arrière de l’outil de dépose est donc la face tournée dans la direction opposée au déplacement de celui-ci.
Le drapage est effectué par l’outil de dépose pouvant être un robot « AFP », par dépôts successifs de bandes en matériau thermoplastique pré-imprégnées. On comprend que l’outil de dépose est configuré pour déposer le matériau thermoplastique par drapage directement sur le substrat d’un outillage de drapage par exemple, c’est à dire sur la surface dudit substrat, la tête de dépose permettant d’appliquer la bande de matériau thermoplastique sur ledit substrat. Cette tête de dépose, ainsi que l’unité primaire de chauffage permettent d’apporter la pression et la chaleur nécessaires à l’adhésion des bandes entre elles, notamment du dernier pli déposé et celui en cours de dépôt.
Par ailleurs, la présence de l’unité secondaire de chauffage, en plus de l’unité primaire, permet un apport supplémentaire de chaleur, à des températures inférieures à celles de l’unité primaire de chauffage, permettant de limiter les gradients thermiques vus par le matériau thermoplastique. L’unité secondaire de chauffage peut notamment préchauffer la surface du substrat avant que n’y soit déposée la bande de matériau thermoplastique permettant une montée en températures progressive de ladite surface avant la dépose du matériau thermoplastique, ou encore chauffer la tête de dépose, ou la bande de matériau thermoplastique avant qu’elle ne soit chauffée par l’unité primaire de chauffage lors de son passage sur la tête de dépose, de sorte à limiter le gradient en chauffe subi par le matériau thermoplastique. A l’inverse, il est également possible de chauffer, par l’intermédiaire de l’unité secondaire de chauffage, la bande de matériau thermoplastique déjà déposée sur le substrat et préalablement chauffée par l’unité primaire, afin de limiter le gradient en refroidissement subi par le matériau thermoplastique. En d’autres termes, la vitesse de refroidissement du matériau thermoplastique venant d’être chauffé et déposé peut être contrôlée, en étant notamment plus lente que si le matériau thermoplastique était immédiatement exposé à la température ambiante.
Le dispositif permet ainsi de réduire et/ou d’étaler les gradients thermiques subis par le matériau thermoplastique, tout en augmentant les vitesses de dépose, améliorant donc la productivité du dispositif. Cela permet en outre de maîtriser le degré de cristallinité du matériau, et ainsi d’améliorer la santé du matériau, en lui apportant notamment une raideur et une rigidité adaptée, et ce, de manière « in-situ », sans nécessité de cycles thermiques supplémentaires en autoclave à forte consommation d’énergie. Il est ainsi possible de limiter également les coûts et d’améliorer la rapidité des cycles de fabrication.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage comprend un module secondaire de préchauffe de substrat disposé d’un côté de la face avant de l’outil de dépose et configuré pour préchauffer le substrat avant la dépose du matériau thermoplastique par l’intermédiaire de la tête de dépose, au cours d’un drapage du matériau thermoplastique.
Le module secondaire de préchauffe de substrat étant disposé d’un côté de la face avant de l’outil de dépose, il permet de préchauffer le substrat, par exemple par une lampe infrarouge ou un laser peu focalisé, avant qu’une bande de matériau thermoplastique n’y soit déposée par la tête de dépose au cours d’une opération de drapage, et donc au cours d’un déplacement de l’outil de dépose sur le substrat. La bande de matériau thermoplastique étant chauffée par l’unité primaire de chauffage juste avant sa dépose, lors de son passage sur la tête de dépose, le gradient thermique subi par cette bande, au moment de sa dépose sur le substrat, sera ainsi moindre que si ledit substrat n’avait pas été préchauffé. Cela permet ainsi de mieux contrôler les gradients thermiques, et donc d’améliorer la santé du matériau de la pièce finale.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage comprend un module secondaire de chauffage aval disposé d’un côté de la face arrière de l’outil de dépose et configuré pour chauffer le matériau thermoplastique venant d’être déposé sur le substrat par l’intermédiaire de la tête de dépose, au cours d’un drapage du matériau thermoplastique.
On notera que les termes « amont » et « aval » se réfèrent au sens de dépose, autrement dit au sens de déroulage des bandes de matériau thermoplastique, depuis l’intérieur d’un corps de l’outil jusqu’à la surface du substrat, en passant par la tête de dépose. En d’autre termes, « aval » signifie en aval de la tête de dépose, c’est-à-dire sur le substrat, et « amont » signifie en amont de la tête de dépose, c’est-à-dire dans le corps de l’outil.
Le module secondaire de chauffage aval étant disposé d’un côté de la face arrière de l’outil de dépose, il permet de chauffer le matériau thermoplastique venant d’être déposé sur le substrat, par exemple par une lampe infrarouge ou par laser, au cours d’une opération de drapage, et donc au cours d’un déplacement de l’outil de dépose sur le substrat. Le module secondaire de chauffage aval permet ainsi de limiter le gradient thermique en refroidissement subi par la bande de matériau thermoplastique venant d’être chauffée par l’unité primaire de chauffage lors de son passage sur la tête de dépose. Le module secondaire de chauffage aval, utilisé seul ou en combinaison avec le module secondaire de préchauffe de substrat, permet ainsi de mieux contrôler les gradients thermiques, et donc d’améliorer la santé du matériau de la pièce finale.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage comprend un module secondaire de chauffage amont disposé dans un corps de l’outil de dépose et configuré pour préchauffer le matériau thermoplastique avant qu’il ne soit déposé sur le substrat par l’intermédiaire de la tête de dépose, au cours d’un drapage du matériau thermoplastique.
Le module secondaire de chauffage amont étant disposé dans le corps de l’outil de dépose, c’est-à-dire en amont de la tête de dépose, il permet de préchauffer, par exemple par lampe infrarouge, par induction ou par laser, le matériau thermoplastique avant qu’il ne soit déposé sur le substrat par l’intermédiaire de la tête de dépose, au cours d’un drapage du matériau thermoplastique. Cela permet de mieux contrôler la montée en température de la bande de matériau thermoplastique avant qu’elle ne soit chauffée par l’unité primaire de chauffage lors de son passage sur la tête de dépose, et ainsi de limiter les gradients thermiques en chauffe qu’elle subit. Le module secondaire de chauffage amont, utilisé seul ou en combinaison avec le module secondaire de préchauffe de substrat et/ou le module secondaire de chauffage aval, permet ainsi de mieux contrôler les gradients thermiques, et donc d’améliorer la santé du matériau de la pièce finale.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage comprend un module secondaire de chauffage de la tête de dépose disposé dans la tête de dépose et configuré pour chauffer la tête de dépose au cours d’un drapage du matériau thermoplastique.
Le module secondaire de chauffage de la tête de dépose disposé dans la tête de dépose permet de chauffer de manière homogène, par exemple par fluide caloporteur ou flux d’air chaud, toute la surface de ladite tête de dépose, de manière à homogénéiser le chauffage de la bande de matériau thermoplastique, chauffée par ailleurs par l’unité primaire de chauffage, lors de son passage sur ladite tête de dépose. Le module secondaire de chauffage de la tête de dépose, utilisé seul ou en combinaison avec le module secondaire de préchauffe de substrat et/ou le module secondaire de chauffage aval et/ou module secondaire de chauffage amont, permet ainsi de mieux contrôler les gradients thermiques, et donc d’améliorer la santé du matériau de la pièce finale.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage comprend au moins l’un d’un système de chauffage par infrarouge, par induction, par résistances chauffantes, par fluide caloporteur ou par air pulsé. L’unité secondaire de chauffage comprend peut également comprendre un laser peu focalisé.
Dans certains modes de réalisation, l’unité secondaire de chauffage est fixée à l’outil de dépose. Par exemple, le module secondaire de préchauffe de substrat peut être fixé directement sur la face avant de l’outil de dépose, ou fixé à l’unité primaire de chauffage, elle-même fixé sur ladite face avant. Cette dernière option permet de disposer le module secondaire de préchauffe de substrat au plus près dudit substrat, et d’améliorer ainsi l’efficacité du préchauffage. De la même manière, le module secondaire de chauffage aval peut être fixé directement sur la face arrière de l’outil de dépose, ou par l’intermédiaire de bras permettant de disposer ledit module au plus près du substrat, où a été déposé une bande de matériau thermoplastique. Il est ainsi possible d’obtenir l’effet souhaité en utilisant les outils déjà existant, notamment l’outil de dépose, ce qui permet une mise en œuvre simple et peu coûteuse.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif comprend au moins un outil annexe, l’outil annexe portant le module secondaire de préchauffe de substrat et/ou le module secondaire de chauffage aval. Cela permet de limiter les problématiques d’encombrement de l’outil de dépose, notamment lorsque celui-ci comporte déjà des équipements annexes. En outre, ce ou ces outil(s) annexe(s) permettent, de manière indépendante, d’assurer le positionnement des modules secondaires par rapport à la tête de dépose, et ainsi d’améliorer la précision du chauffage par ces modules secondaires.
Dans certains modes de réalisation, la tête de dépose est un rouleau de compactage configuré pour exercer une pression sur les bandes du matériau thermoplastique au cours de son drapage.
L’outil de dépose appuie ainsi sur les bandes en matériau thermoplastique pré-imprégné, à la manière d’un rouleau de scotch, par l’intermédiaire du rouleau de compactage. Cette pression exercée par le rouleau de compactage permet d’améliorer l’adhésion des bandes de matériau thermoplastique entre elles, d’une couche à l’autre, c’est-à-dire d’un pli à l’autre.
Dans certains modes de réalisation, le rouleau de compactage est un premier rouleau de compactage, l’outil annexe comprenant un deuxième rouleau de compactage et portant le module secondaire de chauffage aval.
On comprend dans cette configuration que l’outil annexe est disposé du côté arrière de l’outil de dépose. L’outil annexe permet ainsi, en portant le module secondaire de chauffage aval, d’améliorer la précision du chauffage par ce module secondaire pour les raisons précités, tout en améliorant davantage l’adhésion des plis entre eux, par la présence du deuxième rouleau de compactage compactant la bande de matériau thermoplastique, en plus du premier rouleau de compactage.
Dans certains modes de réalisation, l’unité primaire de chauffage est un laser dirigé vers la tête de dépose. L’utilisation du laser permet de faciliter l’orientation de l’unité primaire de chauffage, en orientant notamment le laser vers le rouleau de compactage, et donc vers la bande de matériau thermoplastique en cours de drapage. Cet apport ciblé de chaleur par l’outil de dépose permet d’améliorer l’adhésion des bandes entre elles, notamment du dernier pli déposé et celui en cours de dépôt. De manière alternative, l’unité primaire de chauffage peut être une torche à gaz chaud, ou une lampe flash.
Le présent exposé concerne également un ensemble comprenant un outillage de drapage comprenant un substrat, et un dispositif de drapage de matériau thermoplastique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, le dispositif de drapage étant configuré pour déposer le matériau thermoplastique par drapage sur le substrat.
Dans certains modes de réalisation, l’outillage de drapage comprend un élément chauffant pour chauffer le substrat au cours d’un drapage du matériau thermoplastique. Cet élément chauffant permet de chauffer uniformément la surface du substrat, et ainsi de préchauffer le substrat avant que n’y soit déposé le matériau thermoplastique, tout en limitant le gradient de températures en refroidissement subi par le matériau thermoplastique venant d’y être déposé.
Le présent exposé concerne également un procédé de fabrication de pièces aéronautiques utilisant le dispositif de drapage de matériau thermoplastique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
La représente une vue en section d'un turboréacteur comprenant des pièces fabriquées par un dispositif de drapage de matériau thermoplastique selon un mode de réalisation de l'invention, dans un plan longitudinal du turboréacteur,
La représente schématiquement un ensemble comprenant un dispositif de drapage de matériau thermoplastique et un substrat d’un outillage de drapage, selon un mode de réalisation de l'invention.

Claims (14)

  1. Dispositif de drapage (100) de matériau thermoplastique (TP) pour la fabrication de pièces aéronautiques (10), comprenant :
    - un outil de dépose (110) présentant une face avant (112) et une face arrière (114) définies par rapport à un sens de déplacement de l’outil de dépose (110) au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP), l’outil de dépose (110) étant configuré pour déposer des bandes d’un matériau thermoplastique (TP) sur un substrat (S) par l’intermédiaire d’une tête de dépose (130), et comprenant en outre une unité primaire de chauffage (140) fixée sur la face avant (112) de l’outil de dépose (110) et configurée pour chauffer la tête de dépose (130),
    - une unité secondaire de chauffage (150) distincte de l’unité primaire de chauffage (140) et configurée pour chauffer au moins l’un du matériau thermoplastique (TP), du substrat (S) ou de la tête de dépose (130), à des températures inférieures aux températures de l’unité primaire de chauffage (140).
  2. Dispositif de drapage (100) selon la revendication 1, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) comprend un module secondaire de préchauffe de substrat (151) disposé d’un côté de la face avant (112) de l’outil de dépose (110) et configuré pour préchauffer le substrat (S) avant la dépose du matériau thermoplastique (TP) par l’intermédiaire de la tête de dépose (130), au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP).
  3. Dispositif de drapage (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) comprend un module secondaire de chauffage aval (152) disposé d’un côté de la face arrière (114) de l’outil de dépose (110) et configuré pour chauffer le matériau thermoplastique (TP) venant d’être déposé sur le substrat (S) par l’intermédiaire de la tête de dépose (130), au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP).
  4. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) comprend un module secondaire de chauffage amont (153) disposé dans un corps (111) de l’outil de dépose (110) et configuré pour préchauffer le matériau thermoplastique (TP) avant qu’il ne soit déposé sur le substrat (S) par l’intermédiaire de la tête de dépose (130), au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP).
  5. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) comprend un module secondaire de chauffage de la tête de dépose (154) disposé dans la tête de dépose (130) et configuré pour chauffer la tête de dépose (130) au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP).
  6. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) comprend au moins l’un d’un système de chauffage par infrarouge, par induction, par résistances chauffantes, par fluide caloporteur ou par air pulsé.
  7. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’unité secondaire de chauffage (150) est fixée à l’outil de dépose (110).
  8. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins un outil annexe, l’outil annexe portant le module secondaire de préchauffe de substrat (151) et/ou le module secondaire de chauffage aval (152).
  9. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la tête de dépose (130) est un rouleau de compactage configuré pour exercer une pression sur les bandes du matériau thermoplastique (TP) au cours de son drapage.
  10. Dispositif de drapage (100) selon les revendications 8 et 9, dans lequel le rouleau de compactage (130) est un premier rouleau de compactage, l’outil annexe comprenant un deuxième rouleau de compactage et portant le module secondaire de chauffage aval (152).
  11. Dispositif de drapage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l’unité primaire de chauffage (140) est un laser dirigé vers la tête de dépose (130).
  12. Ensemble comprenant un outillage de drapage (200) comprenant un substrat (S), et un dispositif de drapage (100) de matériau thermoplastique (TP) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif de drapage (100) étant configuré pour déposer le matériau thermoplastique (TP) par drapage sur le substrat (S).
  13. Ensemble selon la revendication 12, dans lequel l’outillage de drapage (200) comprend un élément chauffant pour chauffer le substrat (S) au cours d’un drapage du matériau thermoplastique (TP).
  14. Procédé de fabrication de pièces aéronautiques (10) utilisant le dispositif de drapage (100) de matériau thermoplastique selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5078821A (en) * 1990-08-13 1992-01-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for producing composites of materials exhibiting thermoplastic properties
DE102016209057A1 (de) * 2016-05-25 2017-11-30 Airbus Operations Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterial-Laminats

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