FR3132914A1 - Toron destiné à la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite - Google Patents
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Abstract
Toron destiné à la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite L’invention concerne un toron (1) destiné à subir une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite, comprenant au moins un fil de renfort (3) retordu avec au moins un élément (5) de détection filaire apte à transmettre un signal physique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
L’invention propose un toron muni d’un élément de détection destiné à subir une opération textile dans le but de former une préforme fibreuse de pièce en matériau composite et ses applications pour le contrôle de la préforme ou de la pièce.
Le contrôle de santé des structures (« Structural Health Monitoring » ; « SHM ») a pour objectif de maintenir et de prolonger la durée de vie des pièces structurelles, de détecter et prédire leurs défaillances. Les techniques actuelles mettent typiquement en œuvre une instrumentation en surface de la pièce, une fois sa fabrication achevée, par la mise en place de jauges et le plus souvent de façon temporaire. Cette instrumentation est limitée notamment en ce qu’elle ne permet pas de contrôler l’étape de formation de la matrice, réalisée par exemple par injection par moulage par transfert de résine (« Resin Transfert Molding » ; « RTM »). D’autres techniques proposent une instrumentation au cœur de la matière en éliminant une partie ou en modifiant l’architecture textile du renfort afin de pouvoir installer l’instrumentation. Ces techniques ne sont pas entièrement satisfaisantes car elles peuvent avoir un impact sur la tenue mécanique de la pièce fabriquée.
L’invention concerne un toron destiné à subir une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite, comprenant au moins un fil de renfort retordu avec au moins un élément de détection filaire apte à transmettre un signal physique et distinct dudit au moins un fil de renfort.
Le toron selon l’invention permet d’instrumenter le matériau directement lors de l’opération textile de formation de la préforme fibreuse avec un impact minimal sur les propriétés textiles, telles que le taux volumique de fibres ou l’armure de tissage pour le cas d’une préforme tissée. La tenue mécanique de la pièce n’est ainsi pas altérée du fait de l’instrumentation. En outre, il devient possible d’effectuer un contrôle durant l’étape de formation de la matrice. Le toron selon l’invention permet une instrumentation durable tout au long du cycle de vie de la pièce, aussi bien lors de sa fabrication que durant sa période de service.
Dans un exemple de réalisation, ledit au moins un élément de détection filaire est une fibre optique.
La mise en œuvre d’une fibre optique est préférentielle car adaptée à la fourniture d’une large variété d’informations et donc apte à permettre un contrôle plus modulable. D’autres éléments de détection sont néanmoins envisageables, comme il sera évoqué dans la suite.
Dans un exemple de réalisation, ledit au moins un fil de renfort est en carbone, en verre, en aramide ou en céramique.
Ces matériaux sont particulièrement adaptés à la fabrication d’une pièce de soufflante de turbomachine mais l’homme du métier reconnaîtra que d’autres matériaux sont envisageables en fonction de l’application visée.
L’invention vise également une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d’une pièce en matériau composite, comprenant un ou plusieurs torons tels que décrits plus haut.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse est tissée par tissage tridimensionnel.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse est une préforme d’une pièce d’une soufflante d’un moteur d’aéronef.
L’invention vise également une pièce en matériau composite comprenant une préforme fibreuse telle que décrite plus haut et une matrice densifiant une porosité de la préforme fibreuse.
Selon un exemple, la pièce peut être une pièce de soufflante d’un moteur d’aéronef, telle qu’une aube de soufflante ou un carter de soufflante.
L’invention vise également un procédé de suivi d’un paramètre physique dans une préforme fibreuse telle que décrite plus haut ou dans une pièce telle que décrite plus haut, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification de la propagation du signal physique conduit par l’élément de détection filaire à l’aide d’une unité de contrôle, et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
Dans un exemple de réalisation, le paramètre physique est choisi parmi l’un au moins de : la progression d’un matériau de matrice dans la porosité de la préforme fibreuse, la température au sein de la préforme fibreuse lors d’une cuisson d’un matériau de matrice imprégnant la préforme fibreuse, ou l’application de contraintes mécaniques dans la pièce en matériau composite.
La illustre un exemple de toron 1 selon l’invention qui a été obtenu en retordant ensemble des fils de renfort 3 et un élément 5 de détection filaire apte à transmettre un signal physique, comme un signal optique ou un signal électrique. L’élément 5 peut comporter une portion de conduction apte à transmettre le signal physique entourée par une gaine. Dans l’exemple illustré, l’élément 5 est une fibre optique. Bien entendu, le nombre de fils de renfort 3 et d’élément(s) 5 employés par toron peut varier et n’est pas limité au cas illustré. Le retordage aboutit à un assemblage hélicoïdal du ou des fil(s) de renfort 3 et du ou des élément(s) 5 pour former le toron 1 lequel est destiné à une opération textile pour former la préforme fibreuse. Le(s) fil(s) 3 peuvent servir de support à ou aux élément(s) 5 dans le toron 1. Le ou les élément(s) 5 peuvent avoir un diamètre inférieur au diamètre du ou des fil(s) 3. Comme indiqué plus haut le matériau des fils 3 est choisi en fonction de l’application envisagée, ces fils 3 pouvant être en carbone, en verre, en aramide ou en céramique dans le cas de la fabrication d’une pièce de partie froide de turbomachine aéronautique. A titre d’exemple, on peut utiliser une fibre optique 5 commercialisée sous la référence « SM1250 Bend Insensitive Polyimide ». L’opération de retordage (« twisting » dans la littérature anglo-saxonne) est une opération connue en soi pour la fabrication d’un toron à partir d’une pluralité de fils. D’une manière générale, le(s) fil(s) 3 et le ou les élément(s) 5 peuvent présenter une torsion inférieure ou égale à 30 tours/mètre dans le toron 1. A titre illustratif les inventeurs ont fabriqué un toron 1 ayant une torsion des fils 3 et de la fibre optique 5 de 20 tours/mètre et en utilisant une vitesse en sortie de la retordeuse de 20 mètres / minute. Le toron 1 ainsi obtenu peut ensuite être enroulé autour d’une bobine en attente de la réalisation de l’opération textile.
La illustre de manière schématique un exemple de préforme fibreuse 10 obtenue ici par tissage tridimensionnel à partir d’une pluralité de torons 1 décrits plus haut. L’invention n’est pas limitée à ce cas et la préforme fibreuse peut en variante être obtenue par tissage bidimensionnel ou tressage des torons 1. Dans l’exemple de la , la préforme 10 comprend une pluralité de torons 1 présents à la fois en direction chaine CH et en direction trame TR mais on ne sort pas du cadre de l’invention s’il en est autrement. On peut former une préforme fibreuse uniquement à partir de torons 1 tels que décrit plus haut, ou avec un mélange de ces torons 1 avec des torons distincts, dépourvus de l’élément 5. La préforme 10 peut comprendre des fils de carbone, de verre, d’aramide ou de céramique ou encore un mélange de tels fils. D’une manière générale, la position du ou des torons intégrant l’élément 5 est choisie en fonction du paramètre physique à suivre. Dans le cas d’une préforme tissée, un ou plusieurs torons 1 formant des torons de trame, respectivement de chaîne, peuvent lier une ou plusieurs couches de chaîne, respectivement de trame. Ces couches de chaîne ou de trame liées peuvent elles-mêmes comprendre un ou plusieurs torons 1. Lors du tissage, l’élément 5 est intégré dans la préforme 10 au fur et à mesure que le toron 1 auquel il appartient est tissé. Le ou les torons 1 peuvent être présents au cœur de la préforme 10.
On vient de décrire des détails relatifs à la structure des torons 1 et de la préforme fibreuse 10. La suite, associée aux figures 3 et 4, concerne le suivi de paramètres physiques sur une préforme fibreuse 10 ou sur une pièce en matériau composite 40.
Dans le cas de la , il est recherché de suivre la progression d’un matériau 30 de matrice dans une porosité de la préforme 10. Afin de procéder à sa densification, la préforme 10 est positionnée dans un moule 20 comprenant une forme 22 et une contre-forme 24 délimitant entre elles au moins un orifice 26 d’introduction du matériau de matrice 30. Le matériau de matrice 30 est introduit le long de la direction matérialisée par la flèche IM au travers de l’orifice 26, par exemple par injection, et pénètre dans la porosité de la préforme 10. D’une manière générale, le matériau 30 de matrice peut être une résine et une cuisson de la résine introduite dans la porosité de la préforme fibreuse peut ensuite être réalisée afin d’obtenir une pièce en matériau composite à matrice organique. Le front d’avancée du matériau 30 dans la porosité de la préforme 10 est matérialisé par la référence F à la . La fibre optique 5 est reliée à une unité U de contrôle par une liaison 50. Le signal provenant de l’unité U de contrôle peut être transmis et analysé par un ordinateur lequel peut renvoyer un résultat donnant une information sur la progression du front F. La fibre optique 5 comprend, de manière connue en soi, un cœur formant la portion de conduction qui est apte à transmettre un signal optique le long de l’axe longitudinal de la fibre et une gaine qui entoure le cœur et participe au confinement du signal optique dans le cœur. La présence de matériau 30 autour de la fibre optique 5 conduit à une modification de la propagation du signal optique dans la portion de conduction de la fibre 5. Les techniques pour détecter une telle modification de la propagation du signal optique sont connues en soi. La fibre optique 5 peut par exemple comporter un ou plusieurs réseaux de Bragg (« Fiber Bragg Grating ») et la détection de la modification du signal optique peut être réalisée par analyse de la réponse spectrale en transmission ou en réflexion.
La concerne un exemple de suivi d’une pièce finie 40. On a ici représenté le cas d’une aube 40 de soufflante qui comprend de manière classique une zone de pied 44, une zone de profil aérodynamique 42 et un sommet 46. L’aube 40 définit également un bord d’attaque BA (bord amont par rapport à la circulation d’air dans la soufflante) et un bord de fuite BF (bord aval par rapport à la circulation d’air dans la soufflante). L’unité de contrôle U est connectée à la fibre optique 5 de la même manière qu’en . On peut réaliser un suivi en continu, notamment lors du fonctionnement de l’aube 40, ou connecter l’unité U de contrôle à la fibre optique 5 pour effectuer le contrôle puis la déconnecter une fois le contrôle réalisé. Dans l’exemple considéré, il est suivi l’évolution des contraintes mécaniques appliquées dans la pièce 40 en fonctionnement en détectant une modification de la propagation du signal optique transmis par la fibre optique 5. Une technique similaire à celle décrite plus haut peut permettre la détection d’une telle modification. L’invention peut également s’appliquer à la fabrication d’un carter de soufflante de turbomachine en matériau composite, ou à d’autres pièces. Plus généralement, les exemples d’application aux figures 3 et 4 mettent en œuvre une fibre optique mais l’homme du métier reconnaîtra que d’autres éléments 5 peuvent être envisagés comme un thermocouple permettant notamment le suivi de la température au sein de la préforme lors du cycle de cuisson du matériau 30, un conducteur électrique dont la résistance ou la résistivité peut être altérée ou un capteur diélectrique. Ces autres éléments peuvent être utilisés en alternative ou en combinaison à la fibre optique.
L’expression « comprise entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.
Claims (9)
- Toron (1) destiné à subir une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse (10) d’une pièce (40) en matériau composite, comprenant au moins un fil de renfort (3) retordu avec au moins un élément (5) de détection filaire apte à transmettre un signal physique et distinct dudit au moins un fil de renfort.
- Toron (1) selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un élément (5) de détection filaire est une fibre optique.
- Toron (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un fil (3) de renfort est en carbone, en verre, en aramide ou en céramique.
- Préforme fibreuse (10) destinée à former le renfort fibreux d’une pièce (40) en matériau composite, comprenant un ou plusieurs torons (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
- Préforme fibreuse (10) selon la revendication 4 dans laquelle la préforme fibreuse est tissée par tissage tridimensionnel.
- Préforme fibreuse (10) selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle la préforme fibreuse est une préforme d’une pièce (40) d’une soufflante d’un moteur d’aéronef.
- Pièce (40) en matériau composite comprenant une préforme fibreuse (10) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 et une matrice densifiant une porosité de la préforme fibreuse.
- Procédé de suivi d’un paramètre physique (F) dans une préforme fibreuse (10) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 ou dans une pièce (40) selon la revendication 7, comprenant au moins la détection d’une éventuelle modification de la propagation du signal physique conduit par l’élément (5) de détection filaire à l’aide d’une unité de contrôle (50), et la détermination d’une information relative au paramètre physique à partir de la détection réalisée.
- Procédé selon la revendication 8, dans lequel le paramètre physique est choisi parmi l’un au moins de : la progression (F) d’un matériau (30) de matrice dans la porosité de la préforme fibreuse (10), la température au sein de la préforme fibreuse lors d’une cuisson d’un matériau de matrice imprégnant la préforme fibreuse, ou l’application de contraintes mécaniques dans la pièce (40) en matériau composite.
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