FR3133563A1 - Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques annulaires de freinage - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques annulaires de freinage Un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) pour disques annulaires de freinage en matériau composite comprend les étapes suivantes :- réalisation d’une première couronne fibreuse (100) sur un mandrin (20) s’étendant suivant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR), la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon d’une bande tissée en une pluralité de plis parallèles (111), les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe (20a) du mandrin (20),- réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (200) sur la première couronne (100) par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande de tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale (DR). Figure pour l’abrégé : Fig. 6.
Description
La présente invention concerne la fabrication de pièces annulaires en matériau composite et plus particulièrement des pièces de friction, telles que des disques de freins d'avions.
Le document US 6 183 583 divulgue un procédé pour obtenir une pièce de friction en matériau composite comprenant la fabrication d’une ébauche fibreuse plane carrée ou rectangulaire obtenue par superposition de couches de fibres, en général des fibres en précurseurs de carbone comme du polyacrylonitrile ou PAN, les couches étant liées entre elles par aiguilletage. Une fois l’ébauche fibreuse ainsi réalisée une ou plusieurs préformes annulaires sont alors découpées dans l’ébauche fibreuse par exemple par poinçonnage ou à l’emporte-pièce. La ou les préformes sous soumises à un traitement thermique appelé carbonisation consistant à purifier les fibres PAN et le carbone qui les compose.
La ou les préformes fibreuses annulaires sont ensuite densifiées par une matrice. L’étape de densification consiste à placer la ou les préformes dans un four de densification dans lequel une phase gazeuse est injectée dans des conditions de pression et de température déterminées de manière à former un dépôt carboné dans la porosité des préformes.
Après un traitement thermique, les pièces ainsi obtenues sont usinées pour dresser les surfaces de friction et former des tenons pour le guidage des disques de freinage. Les tenons correspondent à des zones de transmission du couple de freinage à la structure de système de frein.
Ce type de procédé de fabrication présente toutefois plusieurs inconvénients. Un de ces inconvénients est le fort taux de chutes après découpe des préformes annulaires dans l’ébauche fibreuse. En effet, la perte de matière est supérieure à 50% et les chutes de l’ébauche doivent être retraitées/recyclées, ce qui entraîne une perte financière sur la valorisation de la matière et un coût environnemental.
Les fibres des préformes ne sont pas orientées de façon optimale par rapport aux efforts à reprendre lors des sollicitations, en particulier au niveau des tenons. En effet, il n’y a pas de symétrie axiale dans le tissage des fibres dans les préformes alors que les efforts sont principalement en cisaillement tangent.
En outre, la circulation de la phase gazeuse à cœur des préformes n’est pas favorisée par la structure fibreuse qui les constitue, ce qui entraîne une baisse de productivité et une augmentation du temps de séjour des préformes dans le four et donc un coût environnemental non négligeable. En outre, la densification (dépôt de matrice) n’est pas homogène dans l’épaisseur du disque avec un niveau de densification plus important en surface qu’à cœur. Ce manque d’homogénéité dans la densification entraîne un manque d’homogénéité de la friction en fonction de l’usure.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant, selon un premier aspect, un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d’une première couronne fibreuse à partir d’une bande tissée sur un mandrin s’étendant suivant une direction axiale et une direction radiale, la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée en une pluralité de plis parallèles, les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45°, les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin,
- réalisation d’une deuxième couronne fibreuse sur la première couronne par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale.
L’ébauche fibreuse ainsi formée permet de former des préformes fibreuses de disques stators annulaires de freinage sans perte de matière. En effet, l’ébauche présentant une forme cylindrique, des préformes peuvent être extraites de l’ébauche fibreuse par simple tronçonnage de cette dernière. En outre, l’orientation des plis dans la première couronne fibreuse qui est destinée à former la partie annulaire interne du disque dans laquelle des tenons sont formés confère à la pièce finale une très bonne résistance mécanique vis-à-vis des efforts à reprendre lors du freinage.
Par ailleurs, l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes facilite la pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes lors de leur densification et permet, par conséquent, d’obtenir une densification plus homogène.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, celui-ci comprend en outre le recouvrement de la périphérie externe de chaque secteur angulaire par au moins un pli de la bande tissée s’étendant suivant une direction circonférentielle et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Cela permet de renforcer la liaison par aiguilletage entre les première et deuxième couronnes fibreuses.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, le premier tour de bobinage de la bande tissée est aiguilleté avec un taux d’aiguilletage supérieur au taux d’aiguilletage appliqué sur le ou les tours suivants de la bande tissée. Cela permet de renforcer la liaison par aiguilletage entre les première et deuxième couronnes fibreuses.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication de disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique conformément au procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques stators annulaires de freinage de l’invention,
- tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires,
- densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite comprenant un renfort fibreux constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses,
- usinage de tenons dans la périphérie interne de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la première couronne fibreuse.
Comme indiqué ci-avant, les disques de frein sont ici fabriqués sans perte de matière et présentent de très bonnes propriétés mécaniques grâce à l’orientation des plis fibreux présents dans le tronçon de la première couronne et grâce à une densification homogène.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la bande tissée est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires.
La présente invention propose, selon un deuxième aspect, un procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d’une première couronne fibreuse par bobinage sur plusieurs tours d’une bande tissée sur un mandrin s’étendant suivant une direction axiale et une direction radiale, la bande tissée étant aiguilletée au fur et à mesure de son enroulement,
- réalisation d’une deuxième couronne fibreuse sur la première couronne, la deuxième couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents, chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée en une pluralité de plis parallèles, les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45°, les plis de chaque secteur angulaire étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique.
L’ébauche fibreuse ainsi formée permet de former des préformes fibreuses de disques rotors annulaires de freinage sans perte de matière. En effet, l’ébauche présentant une forme cylindrique, des préformes peuvent être extraites de l’ébauche fibreuse par simple tronçonnage de cette dernière. En outre, l’orientation des plis dans la deuxième couronne fibreuse qui est destinée à former la partie annulaire externe du disque dans laquelle des tenons sont formés confère à la pièce finale une très bonne résistance mécanique vis-à-vis des efforts à reprendre lors du freinage.
Par ailleurs, l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes facilite la pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes lors de leur densification et permet, par conséquent, d’obtenir une densification plus homogène.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, celui-ci comprend en outre le recouvrement de la périphérie interne de chaque secteur angulaire par au moins un pli de la bande tissée s’étendant suivant une direction circonférentielle et l’aiguilletage dudit au moins un pli. Cela permet de renforcer la liaison entre les première et deuxième couronnes.
Selon une autre caractéristique particulière du procédé de l’invention, chaque secteur angulaire est en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle.
L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication de disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique conformément au procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique pour disques rotors annulaires de freinage de l’invention,
- tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires,
- densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite comprenant un renfort fibreux constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses,
- usinage de tenons dans la périphérie externe de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la deuxième couronne fibreuse.
Comme indiqué ci-avant, les disques de frein sont ici fabriqués sans perte de matière et présentent de très bonnes propriétés mécanique grâce à l’orientation des plis fibreux présents dans le tronçon de la deuxième couronne et grâce à une densification homogène.
Selon une caractéristique particulière du procédé de l’invention, la bande tissée est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires.
Dans la description qui suit, on envisage la fabrication de disques de freins en composite Carbone/Carbone ou C/C, étant entendu que le procédé selon l'invention est applicable à la fabrication de disques de frein en d’autres matériaux composites comme les matériaux composites à matrice céramique ou CMC, comme cela apparaîtra immédiatement à l'homme de l'art.
Dans un premier exemple de réalisation de l’invention, on décrit la fabrication de disques stators de freinage.
Conformément à l’invention, on réalise tout d’abord une ébauche fibreuse cylindrique à partir de laquelle des préformes fibreuses de disques de frein sont produites conformément à un procédé de l’invention.
La fabrication de l’ébauche fibreuse débute par la réalisation d’une première couronne fibreuse 100 illustrée sur les figures 3 et 4. La première couronne fibreuse 100 est formée d’une pluralité de secteurs angulaires adjacents 110 sur un mandrin cylindrique rotatif 20 s’étendant suivant une direction axiale DAet une direction radiale DR, le mandrin étant mobile en rotation suivant un sens de rotation SR.
Comme illustré sur les figures 1 et 2 qui illustrent la formation d’un premier secteur angulaire 110, chaque secteur angulaire 110 est formé par pliage en accordéon d’une bande tissée 10 en une pluralité de plis fibreux 111 parallèles entre eux et s’étendant en largeur suivant la direction axiale DAet en hauteur sensiblement suivant la direction radiale DR. Par « s’étendant en hauteur sensiblement suivant la direction radiale », on entend que les plis 111 sont parallèles à la direction radiale DRou forment un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire (45° sur les figures 1 et 2 mais on peut suivant les nécessités mécaniques faire plus de secteurs angulaires et réduire d’autant cet angle) par rapport à la direction radiale. Chaque pli 111 présente une largeur l111correspondant à la largeur l10de la bande tissée et qui est déterminée en fonction du nombre de préformes fibreuses que l’on souhaite former à partir de l’ébauche fibreuse cylindrique et une hauteur H111qui peut varier afin de s’adapter à la forme en portion d’anneau de chaque secteur angulaire.
La bande tissée 10 correspond ici à un tissu bidimensionnel ou 2D réalisé avec des fibres de précurseurs de carbone comme par exemple des fibres de polyacrylonitrile ou PAN, des fibres phénoliques, des fibres cellulosiques, des fibres brai, etc.
Dans l’exemple décrit ici, les plis 111 de chaque secteur angulaire s’étendent en hauteur à partir de la surface 20a du mandrin 20. Au fur et à mesure de la formation des plis 111, ceux-ci sont aiguilletés suivant une direction DTsensiblement tangentielle à la périphérie externe du mandrin. L'aiguilletage est réalisé au moyen d'une aiguilleteuse 30 comprenant une planche à aiguilles 31 qui s'étend sur la largeur l10de la bande tissée 10 en un emplacement situé immédiatement en aval de la position où un pli 111 vient au contact du ou des autres plis 11 déjà formés. Les aiguilles 32 de la planche 31 sont réparties uniformément le long de celle-ci afin d'obtenir une densité surfacique d'aiguilletage constante. Une plaque de déboureur 33 peut en outre être utilisée pour maintenir les plis pendant l’aiguilletage. L’aiguilletage permet de fixer les plis 111 entre eux par transfert de fibres dans les plis suivant la direction d’aiguilletage.
Dans les figures 1 à 4 déjà décrites ainsi que d’autres figures de la présente description, les plis et tours d’enroulement sont représentés de manière espacée pour une bonne compréhension de la géométrie de pliage et de bobinage de la bande tissée. Toutefois, les plis ou les tours sont en réalité plaqués les uns contre les autres et maintenus ainsi par l’aiguilletage formant ainsi une structure fibreuse dense.
De manière optionnelle, un ou plusieurs plis 112 ou plus peuvent être formés avec la bande tissée 10 sur la périphérie externe de chaque secteur angulaire 110. Dans l’exemple décrit ici, deux plis 112 sont formés. Les plis 112 s’étendent suivant une direction circonférentielle DCparallèle à la surface 20a du mandrin 20. Les plis 112 sont aiguilletés suivant la direction radiale DRavec une aiguilleteuse 40 similaire à l’aiguilleteuse 30 afin de fixer les plis 112 avec les plis 111. Les plis 112 permettent de former une couche de renfort à la périphérie externe de la première couronne fibreuse et d’assurer une tenue en cisaillement renforcée avec la ou les couches utilisées ultérieurement pour former une deuxième couronne fibreuse.
Chaque secteur angulaire 110 peut en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle.
On forme ensuite de la même façon un deuxième secteur angulaire adjacent au premier secteur angulaire formé et ainsi de suite jusqu’à former une première couronne fibreuse 100 comme illustrée sur les figures 3 et 4. Dans l’exemple décrit ici, la première couronne 100 comprend huit secteurs angulaires 110. La première couronne fibreuse 100 ainsi formée correspond à une corolle de secteurs angulaires 110.
Les secteurs angulaires 110 peuvent être formés avec une seule bande tissée continue comme dans l’exemple décrit ici, ce qui permet d’éviter toute perte de matière et de renforcer la liaison entre les secteurs angulaires. Selon une variante de réalisation les secteurs angulaires de la première couronne fibreuse peuvent être chacun réalisés avec une bande tissée indépendante.
La fabrication de l’ébauche fibreuse cylindrique se poursuit avec la formation d’une deuxième couronne fibreuse par bobinage sur la première couronne fibreuse 100. Plus précisément et comme illustrée sur la , la bande tissée 10 est bobinée autour de la première couronne 100. Chaque tour ou spire de bande tissée 10 est aiguilleté suivant la direction radiale DRpar exemple avec l’aiguilleteuse 40 de la . La rotation du mandrin 20 est synchronisée avec l’aiguilleteuse 40 afin de permettre l’aiguilletage de la bande tissée 10 en continu au fur et à mesure de son enroulement.
La montre l’enroulement d’un premier tour de la bande tissée 10. L’aiguilletage du premier tour sert à fixer ce premier tour sur la première couronne 100 tandis que l’aiguilletage des tours suivants a principalement pour fonction de fixer les tours de bobinage entre eux. L’aiguilletage du premier tour de la bande tissée 10 peut être réalisé avec un taux d’aiguilletage supérieur au taux d’aiguilletage appliqué sur les tours suivants. Cela permet de renforcer la liaison entre les deux couronnes fibreuses.
Le bobinage de la bande tissée 10 est interrompu lorsque l'épaisseur des tours ou spires superposés et aiguilletés atteint la valeur correspondant à la dimension radiale désirée pour la deuxième couronne fibreuse, c'est-à-dire à la différence entre ses rayons extérieur et intérieur.
La deuxième couronne fibreuse peut être réalisée avec la même bande tissée que celle utilisée pour former la première couronne fibreuse comme dans l’exemple décrit ici ou bien être réalisée avec une autre bande tissée indépendante.
On obtient alors comme illustrée sur la une ébauche fibreuse cylindrique 300 dont la partie interne est formée par la première couronne fibreuse 100 constituée de la corolle de secteur angulaire 110 et dont la partie externe est formée par la deuxième couronne fibreuse 200 obtenue par bobinage, les première et deuxième couronnes fibreuses 100 et 200 étant concentriques et liées entre elles au niveau de leur interface de contact.
Ensuite, après démontage de l’ébauche fibreuse cylindrique 300 du mandrin 20, celle-ci est tronçonnée suivant la direction radiale DR, par exemple par découpe au jet d'eau, afin d'obtenir une pluralité de préformes fibreuses annulaires 310 dont une est illustrée sur la . Chaque préforme fibreuse annulaire 310 comprend une couronne fibreuse interne 311 constituée par un tronçon de la première couronne fibreuse 100 et une couronne fibreuse externe 312 constituée par un tronçon de la deuxième couronne fibreuse 200. Dans le cas où l’ébauche fibreuse cylindrique est constituée de fibres en précurseurs de carbone, le tronçonnage de l’ébauche peut être réalisé avant ou après la carbonisation des fibres (transformation des précurseurs en carbone).
On procède ensuite à la densification des préformes fibreuses 310 qui est assurée, de façon bien connue en soi, par infiltration chimique en phase gazeuse ou CVI, à savoir par dépôt au sein de celles-ci de carbone pyrolytique produit par décomposition d’un précurseur contenu dans une phase gazeuse diffusant à l'intérieur de la porosité interne accessible des préformes.
On obtient ainsi, des disques stators annulaires en matériau composite C/C dont un d’entre eux est illustré sur la . La illustre un disque stator annulaire en matériau composite C/C 50 qui comprend un renfort fibreux 60 constitué par la couronne fibreuse interne 311 et la couronne fibreuse externe 312 de la préforme fibreuse 310, le renfort fibreux 60 étant densifié par la matrice carbone.
Comme illustré sur la , la périphérie interne 50a du disque stator annulaire en matériau composite C/C 50 est usinée pour former des tenons 51. Conformément à l’invention, les tenons sont réalisés dans la couronne fibreuse interne 311 du renfort fibreux 60 correspondant à un tronçon de la première couronne fibreuse 100 de l’ébauche 300. Par conséquent, la tenue mécanique des tenons 51 est conférée localement par une partie de préforme dont les plis fibreux sont orientés orthogonalement au plan de cisaillement (plis 111 orientées sensiblement radialement), les plis assurant une reprise des efforts plus soutenue que dans la partie bobinée où seules les fibres orientées par aiguilletages auraient repris les efforts.
En dehors de la zone de formation des tenons correspondant à la zone de la surface de frottement, il n’y a pas de nécessité d’avoir des plis orientés radialement, les fibres réorientées issues de l’aiguilletage suffisent. Les plis sont orientés selon l’axe de rotation qui est une orientation avantageuse pour la souplesse des disques (mise en « rondelle de Belleville »). On obtient ainsi un meilleur contact des surfaces de friction entres les disques rotors et stators.
La pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes est facilitée par l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes. En effet, la phase gazeuse pénétrant par les extrémités axiales des préforme se diffuse ainsi plus facilement à cœur. Cela permet de réduire le temps et, par conséquent, le coût de fabrication des disques tout en améliorant l’homogénéité de la densification des préformes.
On décrit maintenant un deuxième exemple de réalisation de l’invention appliqué à la fabrication de disques rotors de freinage.
Conformément à l’invention, on réalise tout d’abord une ébauche fibreuse cylindrique à partir de laquelle des préformes fibreuses de disques de frein sont produites conformément à un procédé de l’invention.
La fabrication de l’ébauche fibreuse débute par la réalisation d’une première couronne fibreuse 400 illustrée sur les figures 9 et 10. Comme illustré sur la , une bande tissé 70 est bobinée sur un mandrin cylindrique rotatif 80 s’étendant suivant une direction axiale DAet une direction radiale DR, le mandrin étant mobile en rotation suivant un sens de rotation SR. Chaque tour ou spire de bande tissée 70 est aiguilleté suivant la direction radiale DRpar exemple avec une aiguilleteuse 40’ identique à celles déjà décrites précédemment. La rotation du mandrin 80 est synchronisée avec l’aiguilleteuse 40’ afin de permettre l’aiguilletage de la bande tissée 70 en continu au fur et à mesure de son enroulement.
Le bobinage de la bande tissée 70 est interrompu lorsque l'épaisseur des tours ou spires superposés et aiguilletés atteint la valeur correspondant à la dimension radiale désirée pour la première couronne fibreuse, c'est-à-dire à la différence entre ses rayons extérieur et intérieur.
La première couronne fibreuse 400 présente une largeur l400suivant la direction axiale DAqui correspond à la largeur l70de la bande tissée 70 et qui est déterminée en fonction du nombre de préformes fibreuses que l’on souhaite former à partir de l’ébauche fibreuse cylindrique.
La fabrication de l’ébauche fibreuse cylindrique se poursuit avec la formation d’une deuxième couronne fibreuse 500 illustrée sur les figures 12 et 13. La deuxième couronne fibreuse 500 est formée d’une pluralité de secteurs angulaires adjacents 510 de la même façon que la couronne fibreuse 100 constituée de la pluralité de secteurs angulaires 110 et décrite précédemment.
Comme illustré sur la qui illustre la formation d’un premier secteur angulaire 510 sur la surface externe 400a de la première couronne fibreuse 400, chaque secteur angulaire 510 est formé par pliage en accordéon d’une bande tissée 70 en une pluralité de plis fibreux 511 parallèles entre eux et s’étendant en largeur suivant la direction axiale DAet en hauteur sensiblement suivant la direction radiale DR. Par « s’étendant en hauteur sensiblement suivant la direction radiale », on entend que les plis 511 sont parallèles à la direction radiale DRou forment un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire (15° sur les figures 12 et 13 mais on peut suivant les nécessités mécaniques faire plus de secteurs angulaires et réduire d’autant cet angle) par rapport à la direction radiale. Chaque pli 511 présente une largeur correspondant à la largeur l400de la première couronne 400 et une hauteur H511qui peut varier afin de s’adapter à la forme en portion d’anneau de chaque secteur angulaire.
La bande de tissée 70 correspond ici à un tissu bidimensionnel ou 2D réalisé avec des fibres de précurseurs de carbone comme par exemple des fibres de polyacrylonitrile ou PAN, des fibres phénoliques, des fibres cellulosiques, des fibres brai, etc.
Dans l’exemple décrit ici, les plis 511 de chaque secteur angulaire s’étendent en hauteur à partir de la surface 400a de la première couronne 400. Au fur et à mesure de la formation des plis 511, ceux-ci sont aiguilletés suivant une direction DTsensiblement tangentielle à la périphérie externe du mandrin. L'aiguilletage est réalisé au moyen d’une aiguilleteuse 30’ similaire à l’aiguilleteuse 30 déjà décrite afin de fixer les plis 511 entre eux par transfert de fibres dans les plis suivant la direction d’aiguilletage.
De manière optionnelle, un ou plusieurs plis 512 peuvent être formés avec la bande tissée 70 sur la périphérie interne de chaque secteur angulaire 510. Dans l’exemple décrit ici, deux plis 512 sont formés. Les plis 512 s’étendent suivant une direction circonférentielle DCparallèle à la surface 400a de la première couronne 400. Les plis 512 sont aiguilletés avec une aiguilleteuse 40’ similaire à l’aiguilleteuse 40 déjà décrite afin de fixer les plis 512 avec les plis 511. Les plis 512 permettent de former une couche de renfort à la périphérie interne de la deuxième couronne fibreuse et d’assurer une tenue en cisaillement renforcée à l’interface avec la première couronne 400.
Chaque secteur angulaire 510 peut en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle.
On forme ensuite de la même façon un deuxième secteur angulaire adjacent au premier secteur angulaire formé et ainsi de suite jusqu’à former une deuxième couronne fibreuse 500 comme illustrée sur les figures 12 et 13. Dans l’exemple décrit ici, la deuxième couronne 500 comprend vingt-quatre secteurs angulaires 510. La deuxième couronne fibreuse 500 ainsi formée correspond à une corolle de secteurs angulaires 510.
Les secteurs angulaires 510 peuvent être formés avec une seule bande tissée continue comme dans l’exemple décrit ici, ce qui permet d’éviter toute perte de matière et de renforcer la liaison entre les secteurs angulaires. Selon une variante de réalisation les secteurs angulaires de la deuxième couronne fibreuse peuvent être chacun réalisés avec une bande tissée indépendante.
On obtient alors comme illustrée sur les figures 12 et 13 une ébauche fibreuse cylindrique 600 dont la partie interne est formée par la première couronne fibreuse 400 obtenue par bobinage et dont la partie externe est formée par la deuxième couronne fibreuse 500 constituée de la corolle de secteur angulaire 510, les première et deuxième couronnes fibreuses 400 et 500 étant concentriques et liées entre elles au niveau de leur interface de contact.
Ensuite, après démontage de l’ébauche fibreuse cylindrique 600 du mandrin 80, celle-ci est tronçonnée suivant la direction radiale DR, par exemple par découpe au jet d'eau, afin d'obtenir une pluralité de préformes fibreuses annulaires 610 dont une d’entre elles est illustrée sur la . Chaque préforme fibreuse annulaire 610 comprend une couronne fibreuse interne 611 constituée par un tronçon de la première couronne fibreuse 400 et une couronne fibreuse externe 612 constituée par un tronçon de la deuxième couronne fibreuse 500. Dans le cas où l’ébauche fibreuse cylindrique est constituée de fibres en précurseurs de carbone, le tronçonnage de l’ébauche peut être réalisé avant ou après la carbonisation des fibres (transformation des précurseurs en carbone).
On procède ensuite à la densification des préformes fibreuses 610 qui est assurée, de façon bien connue en soi, par infiltration chimique en phase gazeuse ou CVI, à savoir par dépôt au sein de celles-ci de carbone pyrolytique produit par décomposition d’un précurseur contenu dans une phase gazeuse diffusant à l'intérieur de la porosité interne accessible des préformes.
On obtient ainsi, des disques stators annulaires en matériau composite C/C dont un d’entre eux est illustré sur la . La illustre un disque rotor annulaire en matériau composite C/C 150 qui comprend un renfort fibreux 160 constitué par la couronne fibreuse interne 611 et la couronne fibreuse externe 612 de la préforme fibreuse 610, le renfort fibreux 160 étant densifié par la matrice carbone.
Comme illustrés sur la , la périphérie externe du disque stator annulaire en matériau composite C/C 150 est usinée pour former des tenons 151. Conformément à l’invention, les tenons sont réalisés dans la couronne fibreuse externe 612 du renfort fibreux 160 correspondant à un tronçon de la deuxième couronne fibreuse 500 de l’ébauche 600. Par conséquent, la tenue mécanique des tenons 151 est conférée localement par une partie de préforme dont les plis fibreux sont orientés orthogonalement au plan de cisaillement (plis 511 orientés sensiblement radialement), les plis assurant une reprise des efforts plus soutenue que dans la partie bobinée où seules les fibres orientées par aiguilletages auraient repris les efforts.
En dehors de la zone de formation des tenons correspondant à la zone de la surface de frottement, il n’y a pas de nécessité d’avoir des plis orientés radialement, les fibres réorientées issues de l’aiguilletage suffisent. Les plis sont orientés selon l’axe de rotation qui est une orientation avantageuse pour la souplesse des disques (mise en « rondelle de Belleville »). On obtient ainsi un meilleur contact des surfaces de friction.
La pénétration de la phase gazeuse à cœur des préformes est facilitée par l’orientation des plis suivant la direction axiale dans les deux couronnes. En effet, la phase gazeuse pénétrant par les extrémités axiales des préforme se diffuse ainsi plus facilement à cœur. Cela permet de réduire le temps et, par conséquent, le coût de fabrication des disques tout en améliorant l’homogénéité de la densification des préformes.
Claims (12)
- Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) pour disques stators annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d’une première couronne fibreuse (100) à partir d’une bande tissée (10) sur un mandrin (20) s’étendant suivant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR), la première couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents (110), chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée (10) en une pluralité de plis parallèles (111), les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale (DA) et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale, de préférence inférieur à 45° (DR), les plis (111) de chaque secteur angulaire (110) étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe (20a) du mandrin (20),
- réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (200) sur la première couronne (100) par bobinage d’une bande tissée sur plusieurs tours de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique, chaque tour de bande de tissée étant aiguilleté suivant la direction radiale. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre le recouvrement de la périphérie externe de chaque secteur angulaire (110) par au moins un pli (112) de la bande tissée (10) s’étendant suivant une direction circonférentielle (DC) et l’aiguilletage dudit au moins un pli.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier tour de bobinage de la bande tissée est aiguilleté avec un taux d’aiguilletage supérieur au taux d’aiguilletage appliqué sur le ou les tours suivants de la bande tissée.
- Procédé de fabrication de disques stators annulaires de freinage en matériau composite (50) comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (300) conformément au procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4,
- tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires (310),
- densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite (50) comprenant un renfort fibreux (60) constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses (100, 200),
- usinage de tenons (51) dans la périphérie interne de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la première couronne fibreuse (100). - Procédé selon la revendication 5, dans lequel la bande tissée (10) est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires.
- Procédé de fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (600) pour disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- réalisation d’une première couronne fibreuse (400) par bobinage sur plusieurs tours d’une bande tissée (70) sur un mandrin (80) s’étendant suivant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR), la bande tissée étant aiguilletée au fur et à mesure de son enroulement,
- réalisation d’une deuxième couronne fibreuse (500) sur la première couronne (400), la deuxième couronne comprenant une pluralité de secteurs angulaires adjacents (510), chaque secteur angulaire étant formé au moins par pliage en accordéon de la bande tissée (70) en une pluralité de plis parallèles (511), les plis de chaque secteur angulaire s’étendant suivant une première direction parallèle à la direction axiale (DA) et suivant une deuxième direction formant un angle inférieur à 75° par rapport à la direction radiale (DR), de préférence inférieur à 45°, les plis (511) de chaque secteur angulaire (510) étant aiguilletés suivant une direction tangentielle à la périphérie externe du mandrin (70) de manière à obtenir une ébauche fibreuse cylindrique. - Procédé selon la revendication 7, dans lequel la deuxième direction forme un angle inférieur à la mesure d’angle du secteur angulaire.
- Procédé selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre le recouvrement de la périphérie interne de chaque secteur angulaire (510) par au moins un pli (512) de la bande tissée (70) s’étendant suivant une direction circonférentielle (DC) et l’aiguilletage dudit au moins un pli.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel chaque secteur angulaire (510) est en outre aiguilleté suivant une direction comprenant une composante radiale et une composante tangentielle.
- Procédé de fabrication de disques rotors annulaires de freinage en matériau composite comprenant les étapes suivantes :
- fabrication d’une ébauche fibreuse cylindrique (600) conformément au procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10,
- tronçonnage de l’ébauche fibreuse en une pluralité de préformes fibreuses annulaires (610),
- densification des préformes fibreuses annulaires par une matrice de manière à obtenir des disques annulaires en matériau composite (150) comprenant un renfort fibreux (160) constitué par un tronçon des première et deuxième couronnes fibreuses (400, 500),
- usinage de tenons (151) dans la périphérie externe de chaque disque annulaire comprenant le tronçon de la deuxième couronne fibreuse (500). - Procédé selon la revendication 11, dans lequel la bande tissée (70) est réalisée avec des fibres de précurseurs de carbone, le procédé comprenant en outre une étape de carbonisation de l’ébauche fibreuse ou des préformes fibreuses annulaires.
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2022
- 2022-03-21 FR FR2202470A patent/FR3133563B1/fr active Active
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