FR3141879A1 - Procede de decoupe d’un renfort fibreux - Google Patents

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Abstract

Procédé de découpe d’un renfort fibreux pour la réalisation d’une pièce en matériau composite, le renfort fibreux comportant une superposition de couches (26) qui sont séparées les unes des autres et solidaires les unes des autres, ce procédé comprenant les étapes suivantes : a) découper un contour périphérique de la superposition de couches, et b) découper des couches (26a) de ladite superposition de couches (26), en b1) interposant une feuille barrière (30) entre deux couches adjacentes de la superposition de couches (26), et b2) découpant au laser (32) la ou les couches à découper (26a), la feuille barrière (20) protégeant la ou les couches à conserver (26b) vis-à-vis du laser (32). Figure pour l'abrégé : Figures 3a-3c

Description

PROCEDE DE DECOUPE D’UN RENFORT FIBREUX Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un procédé de découpe d’un renfort fibreux pour la réalisation d’une pièce en matériau composite, par exemple du type CMC ou CMO, c’est-à-dire en matériau composite à matrice céramique (par exemple SiC/SiC) ou organique (par exemple carbone/époxy). Elle concerne également un procédé de fabrication d’une telle pièce.
 Arrière-plan technique
Dans le domaine de l’aéronautique, il est connu de fabriquer des pièces en matériau CMC ou CMO qui sont des pièces capables de résister à de hautes températures. Cela est notamment le cas des pièces formant la ou les turbines d’une turbomachine d’aéronef, par exemple les secteurs des anneaux permettant de délimiter la périphérie externe d’une veine de turbine.
L’intégration de pièces en CMC ou CMO dans les futures générations de turbomachines d’aéronef permet un gain de masse et une augmentation des températures de combustion, tout en diminuant le débit de refroidissement qui est utilisé dans le design de pièces métalliques. Cela a pour effet de réduire la consommation des moteurs ainsi que les émissions de polluants.
Dans un procédé de fabrication typique de ce type de pièce en CMC ou CMO, un renfort fibreux est tissée à l’aide de fibres en carbone ou en céramique, par exemple en carbure de silicium (SiC).
Dans le cas d’un CMC, la renfort fibreux est ensuite mis en forme dans un moule puis une interphase est déposée à la surface des fibres céramiques, par un procédé CVI (Chemical Vapor Infiltration) par exemple.
Dans un second temps, une barbotine comprenant des particules céramiques, par exemple de SiC, en suspension dans un solvant, est injectée dans le renfort fibreux. Une fois le solvant éliminé par séchage, les particules céramiques ainsi déposées subissent un traitement thermique qui permet d’obtenir une pièce intermédiaire possédant une certaine porosité.
Une étape de densification est alors réalisée par infiltration puis solidification d’un matériau de densification liquide, en général du silicium liquide, dans la pièce intermédiaire.
Le renfort fibreux utilisé est réalisé par tissage de fibres en trois dimensions en général au moyen d’un métier à tisser du type Jacquard® par exemple. Ce renfort fibreux a une forme brute qu’il convient de travailler. Pour cela, une première étape de découpe « traversante » du contour périphérique du renfort fibreux intervient. Cette découpe périphérique est réalisée par laser et permet de découper de manière nette le contour périphérique du renfort fibreux et supprimer ainsi les extrémités des fibres qui ont tendance à foisonner.
Pour la fabrication de pièces à géométrie complexe, le renfort fibreux comprend en général une superposition de couches, ces couches étant séparées les unes des autres mais toujours solidaires les unes des autres. Ces couches sont destinées par exemple à être positionnées dans le moule de façon à définir des zones particulières de la pièce telles qu’une plateforme d’aube par exemple.
Une seconde étape de découpe « non traversante » du renfort fibreux intervient et consiste à découper une partie des couches de cette superposition de couches. Les couches ont au départ les mêmes dimensions et cette étape de découpe permet de découper une partie des couches pour qu’elles aient des dimensions différentes des autres couches de la superposition.
Dans la technique actuelle, cette opération très délicate est réalisée manuellement au moyen d’une paire de ciseaux 10 (cf. ). C’est donc un opérateur qualifié qui découpe chaque couche 12 à découper du renfort fibreux 16, les unes après les autres, en faisant attention de ne pas découper les couches 14 du renfort fibreux 16 qui doivent être conservées intactes.
Cette opération demande une grande précision et est donc longue et complexe. Par ailleurs, elle ne permet pas d’assurer une bonne reproductibilité des découpes et une industrialisation du procédé de fabrication du renfort fibreux.
La présente invention a pour but d’apporter une solution à ce problème, qui est simple, efficace et économique.
L'invention concerne un procédé de découpe d’un renfort fibreux pour la réalisation d’une pièce en matériau composite, le renfort fibreux comportant une superposition de couches qui sont séparées les unes des autres et solidaires les unes des autres, ce procédé comprenant les étapes suivantes :
a) découper un contour périphérique de la superposition de couches, et
b) découper des couches de ladite superposition de couches, le nombre de couches découpées étant inférieur au nombre total de couches de cette superposition de couches,
caractérisé en ce que l’étape b) comprend les deux sous-étapes suivantes :
b1) interposer une feuille barrière entre deux couches adjacentes de la superposition de couches, cette feuille barrière séparant la ou les couches à découper de la ou des couches à conserver de cette superposition de couches, et
b2) découper au laser la ou les couches à découper, la feuille barrière protégeant la ou les couches à conserver vis-à-vis du laser.
La présente invention propose ainsi de protéger les couches à conserver du renfort fibreux grâce à une feuille barrière qui est intercalée entre ces couches à conserver et les autres couches à découper. La feuille barrière a une fonction de protection des couches à conserver et est donc destinée à résister au laser. La feuille barrière a par exemple une fonction de dissipation ou d’absorption de l’énergie apportée par le laser lors de la seconde étape de découpe.
Les inventeurs ont tenté de réaliser une découpe laser non traversante directement (sans feuille barrière), en recherchant des conditions de découpe laser conduisant à une découpe de certaines couches seulement, mais sans y parvenir malgré plusieurs essais.
Le procédé selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises seules ou en combinaison les unes avec les autres :
-- l’étape a) est réalisée par laser ;
-- avant l’étape a), le procédé comprend une étape préalable de réalisation du renfort fibreux, par exemple par tissage en trois dimensions de fibres ;
-- le renfort fibreux comprend des fibres en céramique ou en carbone ;
  • la feuille barrière a une épaisseur comprise entre 0,5 et 5mm, et de préférence entre 1 et 2mm ;
  • la feuille barrière est en carbone, et en particulier en graphite ou pyrocarbone ;
  • la feuille barrière est lamellaire, alvéolaire et/ou expansée ;
  • le nombre total de couches de la superposition de couches est compris entre 2 et 100, et le nombre de couches à découper étant compris entre 1 et 99, par exemple entre 1 et 10, ou même entre 1 et 5 ;
  • lors de l’étape b2), le laser est perpendiculaire au plan de la feuille barrière ;
  • lors de l’étape b2), le laser a une puissance comprise entre 500 et 3500W, et de préférence entre 1600 et 2500W, et/ou une vitesse d’avance comprise entre 0,1 et 10m/min, et de préférence entre 0,1 et 5m/min ;
-- lors de l’étape b2), le laser est du type CO2 ;
-- avant l’étape a), le procédé comprend une sous-étape de déliaison du renfort fibreux de façon à définir les différentes couches de la superposition de couches ;
  • les couches de la superposition de couches ont des épaisseurs identiques ou différentes qui sont comprises entre 0,5 et 15mm, et de préférence entre 1 et 3mm ;
  • la superposition de couches forme une première partie du renfort fibreux qui comprend en outre une seconde partie solidaire de la première partie et comportant une seule couche ou un nombre total de couches inférieur au nombre total de couches de la superposition de couches ; et
  • l’étape b) est répétée une ou plusieurs fois ;
-- lors des étapes b), les motifs de découpe par le laser sont différents et/ou les couches découpées sont différentes ;
-- avant l’étape a), le procédé peut comprendre une étape supplémentaire de fixation et d’immobilisation du renfort fibreux sur un support en vue des étapes de découpe a) et b).
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d’une pièce en matériau composite, par exemple du type CMC ou CMO, comprenant les étapes suivantes :
i) découper un renfort fibreux grâce au procédé tel que décrit ci-dessus, et
ii) imprégner le renfort fibreux avec une céramique ou une résine destinée à former une matrice, par exemple dans un moule.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
la est une vue schématique d’une étape de découpe manuelle d’une couche d’un renfort fibreux, selon la technique antérieure à l’invention,
la est un schéma bloc illustrant des étapes d’un procédé selon l’invention,
les figures 3a à 3c sont des vues très schématiques d’un renfort fibreux, et illustrent des étapes et sous-étapes du procédé selon l’invention, et
les figures 4a à 4c sont des vues très schématiques d’un renfort fibreux, et illustrent une étape du procédé selon l’invention.
 Description détaillée de l'invention
La illustre la technique antérieure et a été brièvement décrite dans ce qui précède.
La est un organigramme représentant des étapes d’un procédé selon l’invention.
L’invention concerne tout d’abord un premier procédé qui est un procédé de découpe d’un renfort fibreux. Ce procédé comprend deux étapes successives référencées a) et b), chacune de ces étapes pouvant comprendre des sous étapes.
Par ailleurs, ce procédé fait partie d’un second procédé qui est un procédé de réalisation d’une pièce en matériau composite, par exemple à matrice céramique (ou matériau CMC) ou organique (ou matériau CMO). Ce second procédé comprend plusieurs étapes comme évoqué dans ce qui précède, mais peut se résumer en deux étapes essentielles référencées i) et ii). La première étape i) est réalisée par le premier procédé et les étapes a) et b) précitées. Plus précisément, la première étape i) du second procédé consiste à découper un renfort fibreux grâce au premier procédé.
La seconde étape ii) du second procédé consiste à positionner à imprégner le renfort fibreux avec une céramique ou une résine destinée à former la matrice de la pièce en CMC ou CMO. Cette étape d’imprégnation peut être réalisée dans un moule et ne doit pas être interprétée de manière limitative.
Les étapes a) et b) du premier procédé de découpe consistent à :
a) découper au laser un contour périphérique du renfort fibreux, et en particulier de la superposition de couches, et
b) découper des couches de la superposition de couches, le nombre de couches découpées étant inférieur au nombre total de couches de cette superposition de couches.
Le premier procédé peut comprendre, avant l’étape a), une étape préliminaire x) de réalisation du renfort fibreux. Le renfort fibreux peut être obtenu par tissage de fibres, par exemple en trois dimensions.
Les fibres peuvent être en céramique, par exemple en SiC, ou être en carbone, verre ou aramide.
Le matériau destiné à former la matrice peut être en céramique par exemple en SiC, ou en résine par exemple époxy.
La figure 3a illustre renfort fibreux 20. Dans l’exemple représenté, ce renfort fibreux 20 comprend deux parties 22, 24. Une partie 22 du renfort fibreux 20 est monocouche et comprend donc une seule couche. Une autre partie 24 du renfort fibreux 20 comprend une superposition de couches 26, et ici une superposition de deux couches.
Le renfort fibreux 20 forme un ensemble monobloc c’est-à-dire que les couches 26 de la partie 24 sont reliées et solidaires entre elles, et sont aussi reliées à la couche de la partie 22. Les couches 26 sont solidaires les unes des autres, soit en ce sens qu’elles sont toutes reliées à une même partie 22, commune, du renfort fibreux, soit en ce sens qu’elles sont reliées entre voisines, soit les deux.
Le renfort fibreux 20 a ici une forme relativement plane, les parties 22, 24 étant adjacentes et séparées l’une de l’autre par une zone de liaison 28.
Les couches 26 peuvent être obtenues directement par tissage ou peuvent être obtenues par déliaison d’une couche plus épaisse. Dans la présente demande, on entend par déliaison le fait de supprimer des liaisons entre deux couches de fibres afin de les séparer l’une de l’autre. Dans le cas où le renfort fibreux 20 serait obtenue par tissage de fils de chaine et de fils de trame, la déliaison pourrait par exemple être réalisée en coupant des fils de chaine ou de trame s’étendant entre deux couches de fibres adjacentes du renfort fibreux.
Le nombre de couches 26 de la superposition de couches n’est pas limitatif. Il est au moins de deux comme dans l’exemple représenté, mais pourrait être bien supérieur et par exemple compris entre 2 et 100.
Les couches 26 de la superposition de couches ont des épaisseurs identiques ou différentes qui sont comprises entre 0,5 et 15mm, et de préférence entre 1 et 3mm.
L’étape a) consiste à découper au laser un contour périphérique du renfort fibreux 20 et en particulier de la superposition de couches 26. Cette découpe est réalisée sur toute l’épaisseur du renfort fibreux et est donc du type « traversante ».
Avant l’étape a), le procédé peut comprendre une étape y) de fixation et d’immobilisation du renfort fibreux 20 sur un support (non représenté) en vue des étapes de découpe a) et b).
L’étape b) consiste à découper des couches 26 de la superposition de couches, le nombre de couches découpées étant inférieur au nombre total de couches de cette superposition de couches, et étant par exemple compris entre 1 et 99, par exemple entre 1 et 10 ou même entre 1 et 5. Autrement dit, on souhaite découper qu’une partie seulement des couches de cette superposition de couches, cette découpe étant ainsi du type « non traversante ».
Selon l’invention, cette étape b) est réalisée en deux sous-étapes consistant à :
b1) interposer une feuille barrière 30 entre deux couches adjacentes de la superposition de couches 26, cette feuille barrière 30 séparant la ou les couches à découper 26a de la ou des couches à conserver 26b de cette superposition de couches 26 (cf. figure 3b), et
b2) découper au laser 32 la ou les couches à découper 26a, la feuille barrière 30 protégeant la ou les couches à conserver 26b vis-à-vis du laser 32 (cf. figure 3b).
Dans les dessins, on désigne par la référence 32 le laser et en particulier le faisceau laser, et par 34 la source laser.
Comme cela est illustré à la figure 3b, lors de l’étape b2), le laser 32 est de préférence perpendiculaire au plan de la feuille barrière 30. En variante, il pourrait être légèrement incliné.
Le laser 32 a par exemple une puissance comprise entre 500 et 3500W, et de préférence entre 1600 et 2500W, et/ou une vitesse d’avance comprise entre 0,1 et 10m/min, et de préférence entre 0,1 et 5m/min.
Le laser 32 est par exemple du type CO2 bien que cet aspect ne soit pas limitatif. En variante, il pourrait s’agir d’un laser de type Nd-YAG ou un ensemble de diodes laser de puissance.
La feuille barrière 30 intercepte le laser 32, c’est-à-dire qu’elle est située sur sa trajectoire. La feuille 30 est destinée à dissiper l’énergie du laser 32 et est de préférence lamellaire pour faciliter cette dissipation.
La feuille barrière 30 a par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 et 15mm, et de préférence entre 1 et 3mm.
La feuille barrière 30 peut être en carbone, et en particulier en graphite ou pyrocarbone (c’est-à-dire en carbone pyrolytique, matériau similaire au graphite mais avec des liaisons covalentes entre ses couches de graphène). Elle pourrait toutefois être réalisée dans un matériau lamellaire différent, par exemple en Nitrure de Bore hexagonal hBN.
La feuille barrière 30 peut être dense, alvéolaire et/ou expansée et pourrait se présenter par exemple sous la forme d’une mousse.
La feuille barrière est par exemple une feuille Sigraflex® commercialisée par la société Carrara.
A l’issue de l’étape b) ou de la sous-étape b2), on obtient un renfort fibreux 20 tel qu’illustré à la figue 3c avec une couche 26a découpée et une couche 26b intacte car protégée par la feuille barrière 30 lors de la découpe par laser. La feuille barrière 30 a été retirée et peut être utilisée pour une autre étape de découpe b).
Les figures 4a à 4c montrent des variantes de réalisation du procédé selon l’invention, qui différent les unes des autres par le nombre de couches 26a de la superposition de couches de la renfort fibreux 20, et par le nombre de couches 26a découpées par le laser 32.
La variante de la figure 4a est similaire à celle du mode de réalisation des figures 3a-3c.
Dans la variante de la figure 4b, le laser 32 découpe deux couches 26a adjacentes sur les trois couches 26 que compte la superposition de couches.
Dans la variante de la figure 4c, le laser 32 découpe quatre couches 26a adjacentes sur les cinq couches 26 que compte la superposition de couches.
Bien que cela ne soit pas représenté dans les dessins, l’étape de découpe b) du procédé pourrait être répétée une ou plusieurs fois en particulier si des découpes différentes doivent être réalisées dans les couches 26a. Par exemple, la feuille 30 pourrait être intercalée entre deux couches adjacentes pour découper la ou les couches 26a située(s) d’un côté de la feuille 30 selon un motif particulier, puis cette feuille 30 pourrait être intercalée ensuite entre deux autres couches adjacentes pour découper la ou les couches située(s) d’un côté de la feuille.
La présente invention apporte plusieurs avantages parmi lesquels :
  • Un gain de temps des étapes de découpe du renfort fibreux,
  • Une amélioration de la précision géométrique des découpes,
  • Une amélioration de la qualité des bords de découpe, par effet « cautérisation laser »,
  • Une possibilité d’industrialiser le procédé de fabrication du renfort dans son intégralité,
  • etc.

Claims (11)

  1. Procédé de découpe d’un renfort fibreux pour la réalisation d’une pièce en matériau composite, le renfort fibreux comprenant des fibres tissées et comportant une superposition de couches (26) qui sont séparées les unes des autres et solidaires les unes des autres, ce procédé comprenant les étapes suivantes :
    a) découper un contour périphérique de la superposition de couches, et
    b) découper des couches (26a) de ladite superposition de couches (26), le nombre de couches (26a) découpées étant inférieur au nombre total de couches (26) de cette superposition de couches,
    caractérisé en ce que l’étape b) comprend les deux sous-étapes suivantes :
    b1) interposer une feuille barrière (30) entre deux couches adjacentes de la superposition de couches (26), cette feuille barrière (30) séparant la ou les couches à découper (26a) de la ou des couches à conserver (26b) de cette superposition de couches (26), et
    b2) découper au laser (32) la ou les couches à découper (26a), la feuille barrière (20) protégeant la ou les couches à conserver (26b) vis-à-vis du laser (32).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la feuille barrière (30) a une épaisseur comprise entre 0,5 et 5mm, et de préférence entre 1 et 2mm.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la feuille barrière (30) est en carbone, et en particulier en graphite ou pyrocarbone.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la feuille barrière (30) est lamellaire, alvéolaire et/ou expansée.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le nombre total de couches (26) de la superposition de couches est compris entre 2 et 100, et le nombre de couches à découper (26a) étant compris entre 1 et 99, par exemple entre 1 et 10.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape b2), le laser (32) est perpendiculaire au plan de la feuille barrière (30).
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape b2), le laser (32) a une puissance comprise entre 500 et 3500W, et de préférence entre 1600 et 2500W, et/ou une vitesse d’avance comprise entre 0,1 et 10m/min, et de préférence entre 0,1 et 5m/min.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les couches (26) de la superposition de couches ont des épaisseurs identiques ou différentes qui sont comprises entre 0,5 et 15mm, et de préférence entre 1 et 3mm.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la superposition de couches (26) forme une première partie (24) du renfort fibreux qui comprend en outre une seconde partie (22) solidaire de la première partie (24) et comportant une seule couche ou un nombre total de couches inférieur au nombre total de couches (26) de la superposition de couches.
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape b) est répétée une ou plusieurs fois.
  11. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, par exemple du type CMC ou CMO, comprenant les étapes suivantes :
    i) découper un renfort fibreux grâce au procédé selon l’une des revendications précédentes, et
    ii) imprégner le renfort fibreux avec une céramique ou une résine destinée à former une matrice, par exemple dans un moule.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120251763A1 (en) * 2009-12-17 2012-10-04 Toray Industries, Inc. Layered carbon-fiber product, preform, and processes for producing these
US20130001206A1 (en) * 2010-03-19 2013-01-03 Toray Industries, Inc. Method for cutting carbon fiber substrate
FR3006927A1 (fr) * 2013-06-18 2014-12-19 Herakles Procede de decoupe laser d'une texture fibreuse en carbure de silicium

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