FR3139492A1 - Procédé de fabrication d’un toron instrumenté - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’un toron instrumenté La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un toron (1) instrumenté destiné à une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite, comprenant : - un défilement d’au moins un élément (5) de détection filaire apte à transmettre un signal physique, des fils (104 ; 108) de renfort étant rapportés autour dudit au moins un élément de détection filaire en défilement de sorte à former une préforme (110) du toron instrumenté, et- un dépôt d’un liant (111) de maintien sur la préforme du toron instrumenté ainsi obtenue de sorte à obtenir le toron instrumenté. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
L’invention propose la fabrication d’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 procédé de fabrication d’un toron instrumenté destiné à une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse d’une pièce en matériau composite, comprenant :
- un défilement d’au moins un élément de détection filaire apte à transmettre un signal physique, des fils de renfort étant rapportés autour dudit au moins un élément de détection filaire en défilement de sorte à former une préforme du toron instrumenté, et
- un dépôt d’un liant de maintien sur la préforme du toron instrumenté ainsi obtenue de sorte à obtenir le toron instrumenté.
Le toron fabriqué 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 fabriqué 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. Par ailleurs, le fait de rapporter les fils de renfort autour de l’élément de détection en défilement permet d’éviter les ondulations de ce dernier et d’assurer qu’il s’étende de manière sensiblement rectiligne dans le toron instrumenté, afin d’éviter tout risque de l’endommager.
- un défilement d’au moins un élément de détection filaire apte à transmettre un signal physique, des fils de renfort étant rapportés autour dudit au moins un élément de détection filaire en défilement de sorte à former une préforme du toron instrumenté, et
- un dépôt d’un liant de maintien sur la préforme du toron instrumenté ainsi obtenue de sorte à obtenir le toron instrumenté.
Le toron fabriqué 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 fabriqué 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. Par ailleurs, le fait de rapporter les fils de renfort autour de l’élément de détection en défilement permet d’éviter les ondulations de ce dernier et d’assurer qu’il s’étende de manière sensiblement rectiligne dans le toron instrumenté, afin d’éviter tout risque de l’endommager.
Dans un exemple de réalisation, les fils de renfort rapportés comprennent un premier ensemble de fils de renfort en un premier matériau, et un deuxième ensemble de fils de renfort en un deuxième matériau différent du premier matériau.
Une telle caractéristique permet de fournir un toron à fils de renfort hybrides, améliorant les performances de ce dernier.
En particulier, le premier matériau peut être le verre et le deuxième matériau le carbone.
La présence de fils de verre peut permettre d’avoir un rôle de traceur de sorte notamment à aider au positionnement de la préforme fibreuse dans le moule d’injection pour formation de la matrice, et les fils de carbone permettent d’améliorer la compatibilité du toron instrumenté avec des torons de carbone destinés à former le reste de la préforme fibreuse. 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.
Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend en outre une formation des fils de renfort par écartement des fils d’un toron de renfort avant la formation de la préforme du toron instrumenté.
L’obtention des fils de renfort par ouverture d’un toron de renfort permet de limiter l’impact de l’instrumentation sur le diamètre du toron et sur le textile à obtenir.
Dans un exemple de réalisation, la préforme du toron instrumenté comprend un enroulement des fils de renfort autour dudit au moins un élément de détection filaire.
Une telle caractéristique permet de protéger de manière optimale l’élément de détection filaire.
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, la fibre optique comprend un cœur présentant au moins un filtre optique à réseau de Bragg.
L’emploi d’un filtre optique à réseau de Bragg permet de donner un état particulièrement précis de la santé matière de la pièce ou de la préforme.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, comprenant :
- la fabrication d’au moins un toron instrumenté par mise en œuvre d’un procédé tel que décrit plus haut,
- la formation d’une préforme fibreuse de la pièce à obtenir par réalisation d’une ou plusieurs opérations textiles mettant en œuvre ledit au moins un toron instrumenté, et
- la formation d’une matrice dans une porosité de la préforme fibreuse.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse est formée par tissage tridimensionnel.
- la fabrication d’au moins un toron instrumenté par mise en œuvre d’un procédé tel que décrit plus haut,
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- la formation d’une matrice dans une porosité de la préforme fibreuse.
Dans un exemple de réalisation, la préforme fibreuse est formée par tissage tridimensionnel.
Dans un exemple de réalisation, la pièce est une pièce d’une soufflante d’un moteur d’aéronef, telle qu’une aube de soufflante ou un carter de soufflante.
On peut réaliser 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 représente un exemple d’installation 100 permettant de former un toron instrumenté avec un élément de détection filaire, ici sous la forme d’une fibre optique. La technique exemplifiée met en œuvre une technique de commélage de fils (connue sous le nom de « commingling » dans la littérature anglosaxonne). De manière générale, le toron instrumenté peut être réalisé par une méthode de fabrication en continu durant laquelle les fils de renfort sont obtenus par écartement (technique dite de « spreading ») des fils constitutifs d’un toron de renfort puis sont ensuite rapportés autour de l’élément de détection filaire en défilement. On peut citer le document WO 2016/057735 qui décrit la technique d’écartement suivie d’un commélage de fils.
L’installation 100 exemplifiée à la comprend une bobine 102 sur laquelle est enroulé un toron de renfort qui est ici formé d’une pluralité de fils 104 de renfort en verre. Les fils 104 sont écartés les uns des autres par une technique de tirage sous tension connue en soi à l’aide d’un rouleau 103 séparateur qui a, dans l’exemple illustré, une section longitudinale d’épaisseur évolutive avec une région de surépaisseur dans sa zone médiane. L’homme du métier reconnaîtra que d’autres structures de rouleau 103 sont possibles pour réaliser l’écartement des fils 104. L’installation 100 comprend en outre une bobine 101 sur laquelle est enroulée la fibre optique 5 laquelle est mise en défilement par convoyage par le rouleau 103 et le rouleau 109. A titre d’exemple, on peut utiliser une fibre optique 5 commercialisée sous la référence « SM1250 Bend Insensitive Polyimide ». L’installation comprend deux dispositifs de guidage 105 et 107 permettant de guider les fils 104 de sorte à les rapprocher progressivement de la fibre optique 5 en défilement. Dans l’exemple illustré, les dispositifs 105 et 107 peuvent être sous la forme d’œillets éventuellement mobiles en rotation de sorte à enrouler les fils 104 autour de la fibre optique 5 si cela est souhaité. La préforme 110 du toron instrumenté est formée au niveau du rouleau d’entraînement 109 sur lequel la fibre 5 et les fils 104 sont commélés. La préforme 110 du toron instrumenté est entraînée par le rouleau 109 vers un bain 111 d’un liant de maintien contenu dans un réservoir 113. Un élément de convoyage 115 est immergé dans le bain afin de faire défiler la préforme 110 au travers du bain 111. Le liant de maintien peut être polymérique. A titre d’exemple, le bain 111 peut être formé par une solution aqueuse d’un polymère comme de la polyvinylpyrrolidone (PVP) mais l’homme du métier reconnaîtra que d’autres composés peuvent être envisagés. La préforme 110 revêtue du liant de maintien est ensuite entraînée au travers d’un four 119 à l’aide des éléments de convoyage 117 et 121 pour cuire le liant et augmenter sa rigidité de sorte à obtenir le toron instrumenté 1 qui est ensuite enroulé autour de la bobine 123 dans l’attente d’une opération textile pour former la préforme fibreuse de la pièce.
L’exemple illustré concerne un cas particulier où un deuxième ensemble de fils 108 de renfort est commélé avec les fils 104 et la fibre optique 5. L’installation comprend une bobine 106 sur laquelle est enroulé un deuxième toron de renfort qui est ici formé d’une pluralité de fils 108 de renfort en carbone. Les fils 108 sont séparés par un rouleau 103 séparateur et sont ensuite guidés et rapportés autour de la fibre optique 5 comme cela a été décrit pour les fils 104. L’exemple permet d’obtenir un toron 1 instrumenté à fils de renfort en verre et en carbone, la présence de fils de carbone permettant d’améliorer les performances mécaniques du toron instrumenté et de réduire l’hétérogénéité avec le reste de la préforme fibreuse de la pièce à obtenir qui peut comprendre des torons de carbone dans le cas d’une préforme de pièce de soufflante (aube ou carter) de moteur d’aéronef. La montre une vue en section transversale du toron 1 ainsi obtenu. L’exemple illustré concerne un toron instrumenté comprenant des fils de renfort formés de matériaux différents mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque l’on utilise des fils de renfort formés d’un même matériau rapporté autour de la fibre optique 5.
On vient de décrire une technique possible de fabrication en continu d’un toron instrumenté par une fibre optique distincte des fils de renfort 104 et 108 et destiné à une intégration dans une pièce en matériau composite. La suite détaille une structure possible pour la fibre optique 5 en lien avec la .
La fibre optique 5 illustrée comprend un cœur 50 permettant la transmission d’un signal optique entouré par une gaine 54 qui participe au confinement du signal optique dans le cœur 50. La gaine 54 et le cœur 50 sont entourés par un revêtement protecteur 56, par exemple en matériau polymérique. Dans l’exemple illustré, le cœur 50 comprend au moins un filtre optique 52 à réseau de Bragg (« Fiber Bragg Grating » dans la littérature anglosaxonne), ou plusieurs de ces filtres positionnés les uns à la suite des autres le long du cœur 50. Le filtre optique 52 à réseau de Bragg correspond à une structure connue en soi dans laquelle il y a une variation périodique de l’indice de réfraction avec un paspqui permet de refléter une longueur d’onde précise, comme cela sera évoqué à nouveau dans la suite. La fibre optique 5 présente dans la pièce en matériau composite ou dans la préforme de cette pièce est destinée à être reliée à une unité de contrôle pour réaliser le suivi. L’unité de contrôle peut comprendre une source de lumière, comme un laser, permettant d’envoyer de la lumière dans la fibre optique ainsi qu’un analyseur permettant d’analyser le signal optique réfléchi, et notamment de déterminer sa longueur d’onde pour la comparer à la longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique. On peut disposer l’unité de contrôle dans la soufflante de la turbomachine, ou en variante la connecter uniquement pour réaliser le contrôle et le déconnecter une fois le contrôle terminé. L’unité de contrôle peut comprendre un dispositif de stockage de données permettant de stocker une information relative au signal optique traversant les fibres optiques pour analyse en continu ou ultérieure.
La montre l’effet du filtre optique 52 à réseau de Bragg sur une onde lumineuse incidente ayant une répartition de l’intensité lumineuse IE en fonction de la longueur d’onde en entrée de fibre optique telle qu’illustrée au graphe 4A. Le graphe 4B montre l’intensité lumineuse transmise IT en fonction de la longueur d’onde au travers du filtre optique 52 et le graphe 4C montre l’intensité lumineuse réfléchie IR par le filtre optique 52. Le filtre optique 52 permet de refléter la lumière à la longueur d’onde λBdonc de filtrer cette longueur d’onde avec une certaine précision comme illustré au graphe 4C (longueur d’onde de référence filtrée par la fibre optique). La longueur d’onde réfléchie par le filtre optique 52 est donnée par la formule ci-dessous et est fournie par le fabricant de la fibre optique :
dans cette formule n l’indice de réfraction effectif et p le pas du filtre.
Une traction ou une compression de la fibre optique aboutit à un changement du paspdu filtre et, par conséquent, de la longueur d'onde réfléchie. On a une relation linéaire entre la variation de longueur d’onde et la variation de la longueur du filtre 52 (soit la déformation) comme indiqué dans la formule ci-dessous. L’analyse de la variation de λBpermet d’en déduire la déformation.
L0désignant la longueur du filtre 52 permettant la filtration de la longueur d’onde λBet le facteur k correspondant au facteur de fibre fourni par le fabricant de la fibre. La montre l’effet sur la longueur d’onde réfléchie d’une contrainte appliquée sur la fibre optique. Le graphe 5A montre que l’application d’une contrainte de traction sur la fibre aboutit à un décalage vers les longueurs d’onde supérieures de la longueur d’onde réfléchie. L’application d’une contrainte de compression aboutit à l’inverse à une diminution de la longueur d’onde réfléchie (graphe 5B). On peut réfracter le reste de la lumière en fin de fibre optique afin qu’elle n’interfère pas avec la mesure et l’on en déduit alors, à partir du décalage de longueur d’onde du signal optique réfléchi par la fibre optique, la déformation de celle-ci qui permet, si cela est souhaité, de remonter à la contrainte au niveau du filtre 52. Selon un exemple, on peut disposer en série plusieurs filtres optiques 52 à réseau de Bragg avec des pas différents afin de distinguer les signaux réfléchis par les différents filtres. On peut ainsi localiser l’application de la contrainte ou de la déformation le long de la fibre. On peut également utiliser les filtres optiques pour constituer des capteurs de pression ou d’accélération. On peut également mesurer la température appliquée à la préforme, par exemple lors de la formation de la matrice, ou à la pièce du fait d’un changement de l’indice de réfraction de la fibre optique aboutissant à une modification de la propagation du signal optique, aboutissant également dans le cas de l’emploi d’un filtre à réseau de Bragg à une modification de la longueur d’onde réfléchie. Des exemples de possibilités de suivi offertes par le toron instrumenté sur pièce en matériau composite et préforme de cette pièce vont être décrites dans la suite.
Une préforme fibreuse 10 de la pièce à obtenir peut être formée 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. D’une manière générale, la position du ou des torons intégrant l’élément 5 est choisie en fonction du paramètre physique à suivre. En outre, on peut veiller à ce que le ou les torons instrumentés soient visibles depuis une surface de la préforme 10. Cela peut permettre dans le cas de l’utilisation de fils de renfort en verre ayant une fonction de traceurs d’aider au positionnement de la préforme fibreuse dans le moule dans lequel le matériau de matrice est destiné à être apporté. 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.
Des exemples de suivi de paramètres physiques sur une préforme fibreuse 10 ou sur une pièce en matériau composite 40 sont illustrés en lien avec les figures 7 et 8.
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 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 7 et 8 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.
Claims (10)
- Procédé de fabrication d’un toron (1) instrumenté destiné à une opération textile pour la formation d’une préforme fibreuse (10) d’une pièce en matériau composite, comprenant :
- un défilement d’au moins un élément (5) de détection filaire apte à transmettre un signal physique, des fils (104 ; 108) de renfort étant rapportés autour dudit au moins un élément de détection filaire en défilement de sorte à former une préforme (110) du toron instrumenté, et
- un dépôt d’un liant (111) de maintien sur la préforme du toron instrumenté ainsi obtenue de sorte à obtenir le toron instrumenté. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel les fils de renfort rapportés comprennent un premier ensemble de fils (104) de renfort en un premier matériau, et un deuxième ensemble de fils (108) de renfort en un deuxième matériau différent du premier matériau.
- Procédé selon la revendication 2, dans lequel le premier matériau est le verre et le deuxième matériau le carbone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend en outre une formation des fils (104 ; 108) de renfort par écartement des fils d’un toron de renfort avant la formation de la préforme (110) du toron instrumenté.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la préforme (110) du toron instrumenté comprend un enroulement des fils (104 ; 108) de renfort autour dudit au moins un élément (5) de détection filaire.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit au moins un élément (5) de détection filaire est une fibre optique.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel la fibre optique (5) comprend un cœur (50) présentant au moins un filtre optique (52) à réseau de Bragg.
- Procédé de fabrication d’une pièce (40) en matériau composite, comprenant :
- la fabrication d’au moins un toron instrumenté (1) par mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7,
- la formation d’une préforme fibreuse (10) de la pièce à obtenir par réalisation d’une ou plusieurs opérations textiles mettant en œuvre ledit au moins un toron instrumenté, et
- la formation d’une matrice dans une porosité de la préforme fibreuse. - Procédé selon la revendication 8, dans laquelle la préforme fibreuse (10) est formée par tissage tridimensionnel.
- Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle la pièce (40) est une pièce d’une soufflante d’un moteur d’aéronef.
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