WO1997020092A1 - Procede pour la realisation de preformes fibreuses destinees a la fabrication de pieces annulaires en materiau composite - Google Patents

Procede pour la realisation de preformes fibreuses destinees a la fabrication de pieces annulaires en materiau composite Download PDF

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WO1997020092A1
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Dominique Coupe
Bruno Bompard
Jean Aucagne
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing fibrous preforms intended for the manufacture of annular parts made of composite material.
  • a particular, but not exclusive, field of application of the invention is the manufacture of brake discs in composite material, in particular brake discs in carbon-carbon composite.
  • Annular parts made of composite material such as brake discs consist of a fibrous reinforcement, or preform, densified by a matrix.
  • the preform is made of carbon fibers or fibers of a carbon precursor which is transformed into carbon by heat treatment after production of the preform.
  • a carbon precursor available in the form of fibers is in particular the pre-oxidized polyacrylonitrile (PAN).
  • PAN pre-oxidized polyacrylonitrile
  • the densification of the prefo ⁇ ne can be carried out by liquid means - impregnation with a liquid carbon precursor, for example a resin, and transformation of the precursor by heat treatment -, or by chemical vapor infiltration.
  • a well-known method for producing fibrous preforms of parts made of composite material consists in superimposing and needlening layers or layers of a two-dimensional fibrous texture.
  • the fibrous texture is for example a fabric.
  • the fabric is optionally covered with a veil of fibers which provides the fibers capable of being displaced by the needles through the supe ⁇ osed strata; this is particularly the case when the fabric is made of fibers which are difficult to needlead without breaking the threads which they constitute, in particular made of carbon fibers.
  • Such a method is described in particular in documents FR-A-2,584,106 and FR-A-2,584,107 respectively for the production of flat preforms and for the production of preforms of revolution.
  • An annular preform for a brake disc can be cut from a thick plate formed by layers supe ⁇ osed flat and needled.
  • the loss of material is nearly 50% which, in the case of carbon fiber preforms, represents a very significant cost due to the cost price of the fibrous material.
  • the loss of material is less than in the case of cutting whole rings, but remains significant.
  • the process is rather delicate to implement and to automate, in particular because of the need to correctly position the sectors while shifting them from one layer to another so as not to superimpose the lines of separation between sectors .
  • the layers of the preform are then arranged perpendicular to the rubbing faces.
  • the lower resistance to shearing parallel to the strata can then represent a significant drawback at the level of notches made on the external or internal periphery of the discs for the accommodation of jumpers used to transmit or take up the forces exerted on the discs.
  • Another known technique for producing fibrous preforms for annular parts made of composite material consists in using a textile product in a spiral or helical strip which is wound flat in superimposed turns.
  • the textile product can be a fabric formed of helical warp threads and radial weft threads.
  • the length described by the unidirectional elements varies significantly between the inner circumference and the outer circumference of the annular preform. It is indeed envisaged in document EP-A-0 528336, during the manufacture of the braid, to exert greater or lesser tensions on the unidirectional elements depending on whether they are located near the inner circumference or the outer circumference of the annular prefo ⁇ ne. But in addition to the fact that this only allows very limited compensation for the length differences described by the unidirectional elements, the maintenance of the tension after manufacture of the braid is not guaranteed, hence possible shrinkage and undulation of the elements unidirectional. In addition, the introduction of unidirectional elements into the tubular braid, all the more if it must be carried out with different tensions, considerably complicates the preparation of the preform.
  • the object of the invention is to provide a process which does not have the drawbacks of the processes of the prior art, that is to say a process making it possible to produce annular preforms intended for the production of parts made of composite material, without loss of material and at a relatively low cost, while maintaining a substantially uniform volume rate of fibers throughout the preform.
  • a method of the type comprising the winding, in superposed layers, of a strip of fabric of spiral or helical shape comprising substantially helical warp threads and substantially radial weft threads, process according to which the mass surface area of the helical fabric chain is increasing between its inside diameter and its outside diameter and the layers of the fabric strip are needled so as to be linked together by fibers drawn from threads of the fabric, the increase in the surface mass of the warp compensating at least approximately, for the volume density of the preform, the decrease in density of the weft between the inside diameter and the outside diameter.
  • a substantially uniform volume rate means a substantially uniform porosity.
  • the homogeneity of the porosity is obtained by the combination of the increase in the surface mass of the chain between the inside diameter and the outside diameter and needling.
  • the increase in mass surface of the warp can be carried out simply and without additional cost, for example by using warp threads of increasing titer and / or by increasing the density of warp threads, between the inside diameter and the outside diameter of the fabric.
  • the helical fabric must lend itself to the needling operation without the needles having a destructive effect on the threads which constitute the fabric.
  • a helical fabric at least partially made up of threads comprising staple fibers which can be easily pulled by the needles.
  • These sons may consist of carbon or ceramic fibers, or of fibers into a carbon or ceramic precursor, the transformation of the precursor into carbon or ceramic being carried out by heat treatment carried out for example after needling.
  • a helical fabric is advantageously used, the threads of which, as described in document EP-A-0489 637, are formed of discontinuous fibers which are parallel to each other and are not twisted and of a covering which ensures the integrity of the thread.
  • the wrapping is carried out with a thread of a fugitive material which is removed before needling. The elimination of the covering thread releases the fibers for needling and avoids, due to the abundance of fibers, the presence of macroporosities.
  • the wrapped yarn can be replaced by a wick formed from parallel discontinuous fibers with sufficient cohesion to allow weaving without hampering subsequent needling.
  • This minimum cohesion can be brought about by a slight twist, for example not more than 15 turns per meter.
  • the needling is advantageously carried out with a surface density of needle strokes which is substantially constant over the entire surface of the layers of the fabric strip.
  • a set of needles may be used for this purpose which covers a sector extending over the entire width of the strip of helical fabric.
  • the needling is carried out to a substantially constant depth, as and when the flat winding of the strip of helical tissue.
  • the fabric strip can be wound around an axis by forming superposed layers substantially pe supendicular to this axis, or by forming superposed frustoconical layers.
  • the axis around which the strip of fabric is wound can be materialized by a tube.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a helical fabric used for the implementation of a method according to the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates an alternative embodiment of a helical fabric also usable for the implementation of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows very schematically, in elevation and in section, a first embodiment of a device allowing the implementation of a process according to the invention
  • FIG. 4 is a top view in section along the plane IV-IV of Figure 3;
  • FIG. 5 illustrates very schematically, in elevation and in section, an alternative embodiment of the device illustrated in Figures 3 and 4;
  • FIG. 6 is a top view in section along the line VI-VI of Figure 5;
  • FIG. 7 illustrates very schematically, in elevation and in section, another alternative embodiment of the device of Figures 3 and 4; and - Figure 8 shows very schematically, in elevation and in section, a second embodiment of a method according to the invention.
  • annular carbon fiber preforms for the manufacture of brake discs made of carbon-carbon composite material.
  • the preforms are produced by winding in superimposed layers and needling a strip of fabric 10 of helical or spiral shape for example as illustrated in FIG. 1 or FIG. 2.
  • the strip of helical fabric 10 is formed by helical warp threads 12 and radial weft threads 14. As indicated above and described in the documents already cited FR-A-2 490 687 and FR-A-2 643 656, the weaving is carried out by drawing the warp threads 12 from respective feed coils by means of a tapered take-up roller.
  • the radial weft threads 14 have a mutual spacing which increases between the inside diameter 16 and the outside diameter 18 of the helical fabric. In order to compensate at least approximately for this decrease in the weft area weight, a substantially corresponding increase in the area weight of the warp is made.
  • the increase in the basis weight of the warp is obtained by using warp yarns 14 whose title varies in increasing between the internal diameter 16 and the external diameter 18 of the fabric.
  • This variation can be continuous or in stages.
  • the chain is divided into several parts in which the warp threads 14 have the same title, different from that which they have in the other chain parts.
  • the increase in the basis weight of the warp is obtained by increasing the density of the warp yarns 14 between the inside diameter 16 and the outside diameter 18 of the fabric, that is to say by reducing the spacing between warp threads, these having the same title.
  • the density can be changed continuously or in stages, dividing the chain into several adjoining parts. It is of course possible to vary both the titer and the density of the warp threads 14.
  • the helical tissue 10 is stored on a fixed horizontal plate 20 being wound in coils superimposed flat around a central cylindrical core 22.
  • the disk-shaped plate 20 has a radial slot 24 from which the strip of helical tissue is pulled down.
  • the strip thus pulled from the storage tray 20 is wound in turns superimposed flat on a rotating plate 30.
  • the plate 30 is mounted on a vertical axis 32 secured to a support 34.
  • the support 34 further carries a motor 36 which drives the plate 30 in rotation about its vertical axis 40 (arrow fl), by means of a belt 38.
  • the assembly comprising the support 34 and the plate 30 is movable vertically along a fixed central guide tube 42 of axis 40. At its upper end, the tube 42 supports the plate 20.
  • the support 34, the plate 30 and the plate 20 are thus coaxial.
  • the support 34 rests on vertical telescopic rods 44, the vertical movement of the support 34 being controlled by one or more jacks 46.
  • the strip of helical fabric 10 is needled by means of a board 50 carrying needles 52 and driven in an alternating vertical movement.
  • the movement of the needle board is controlled by a motor 54, via a connecting rod-crank type transmission.
  • the motor 54 is carried by the support 34.
  • the needling of the helical fabric strip 10 is carried out with a substantially constant surface density and depth.
  • the needle board 50 has a sector shape, corresponding to a sector of an annular layer of fabric, sector on which the needles are distributed uniformly, while the plate 30 supporting the preform 60 being developed is rotated at constant speed.
  • the needling depth that is to say the distance over which the needles 52 penetrate each time into the preform 60, is kept substantially constant, and equal for example to the thickness formed by a few layers of superposed fabric.
  • the fabric strip 10 is wound on the plate 34, the latter is moved vertically downwards by the desired distance so that the relative position between the surface of the preform and the plank needles, at one end of its vertical stroke, remains unchanged.
  • several needling passes are carried out while continuing to rotate the plate 30 so that the volume density of needling in the layers of surface tissue is substantially the same as in the rest of the prefecture.
  • a progressive lowering of the plate 30 can be controlled, as in the previous phases.
  • the plate 30 is coated with a protective layer 56 into which the needles can penetrate without being damaged during the needling of the first turns of fabric 10.
  • the protective layer 56 can be formed of a felt of base, for example a polypropylene felt, covered with a sheet of plastic material, for example polyvinyl chloride which avoids, when the needles rise, entraining in the preform 60, fibers taken from the base felt .
  • the helical fabric 10 must be able to undergo needling without it damaging the constituent threads of the fabric too much.
  • the wires 14, 16 can be formed of carbon fibers or carbon precursor fibers, for example preoxidized polyacrylonitrile fibers, the transformation of the precursor into carbon then being carried out by the heat treatment of the preform after needling.
  • the threads 14, 16 are formed of staple fibers, for example of staple fibers which are parallel to each other and not twisted, the integrity being achieved by covering with a thread of fugitive material, as described in document EP-A -0 489 637 already cited.
  • Parallel staple fibers can be obtained by controlled stretching and cracking of a carbon multifilament cable.
  • the covering thread is made of a material which can be removed by heat or by dissolution, for example an alcohol water-soluble polyvinyl.
  • the covering ensures the integrity of the thread during weaving. Elimination of the covering thread is carried out on the helical fabric before needling, for example on the fabric stored on the plate 20 before mounting it on the tube 42.
  • the wires 14, 16 can be formed of wicks of parallel staple fibers whose cohesion is ensured by a slight twist sufficient to allow weaving without interfering with the subsequent needling.
  • the device which has just been described makes it possible to continuously produce preforms of various lengths, the maximum length being determined by the vertical stroke of the support 34 along the tube 42.
  • the tube 42 serves not only as a guide for the 'assembly of the support 34 and the plate 30, but also to the preform 60 being developed.
  • a preform 60 has been produced, it is then cut along radial planes to obtain annular preforms of brake discs of desired thickness, preforms which are then densified.
  • a helical fabric 10 in which the decrease in density of the weft, between the inside diameter and the outside diameter, is compensated by the increase in chain density allows, after needling, to obtain a prefo ⁇ ne in which the fiber content and the porosity are substantially uniform throughout the volume of the preform.
  • the use of threads formed of staple fibers allows an abundance of fibers which avoids the presence of macroporosities, and, consequently, an irregular densification.
  • FIGS. 5 and 6 An alternative embodiment of a device allowing the implementation of the method according to the invention is illustrated by FIGS. 5 and 6, a variant which differs from the embodiment of FIGS. 3 and 4 only by the arrangement of the support 20 carrying the fabric helical.
  • the support 20 has its vertical axis offset from the axis 40 by a distance slightly greater than the length of the needle board 50.
  • the support 20 can be arranged laterally with respect to the board 50, so as to minimize the path of the fabric 10 between the radial slot 24 for leaving the support 20 and the upper surface of the preform 60 being produced.
  • This arrangement also allows a reduction in the size of the device in height.
  • the support 20 then rests on a particular support leg 56.
  • FIG. 7 Another alternative embodiment of the feeding of the helical tissue is illustrated in FIG. 7.
  • the strip of helical tissue 10 is wound on a horizontal rotary mandrel 70, forming a stack 73 of frustoconical strata supe ⁇ oses.
  • the angle of the strata with the axis 71 of the mandrel is for example approximately equal to 45 *.
  • the strata are wound on a frustoconical flange 72 which is movable in translation parallel to the axis 71 of the mandrel.
  • the rotation of the mandrel 70 about its axis (arrow f2) is carried out by means of a motor 74 while the translational movement of the flange 72 is carried out by means of telescopic jacks 76 interposed between the flange 72 and a base 77 of the mandrel .
  • the fabric strip 10 is pulled from the mandrel at the opposite end to the flange 72 to be wound on the rotating plate 30.
  • the winding of the fabric band on the plate 30 in turns superposed flat and the needling of the superimposed turns are produced as described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • a circuit 78 controls the motors 30, 74 and the jacks 76 so that the rotation of the mandrel 70 and the advance of the stack 73 of the frustoconical layers on the mandrel are synchronized with the rotation of the plate 30 (arrow f3), so that the fabric strip 10 is deposited on the preform 60 during needling with a suitable geometry, without deformation of the fabric strip.
  • a pressure cylinder 79 carried by the support 34 can be provided upstream of the needle board 50 to perfect the presentation of the strip of fabric 10 before needling.
  • the winding of the helical fabric 10 is carried out in annular turns superimposed on the flat pe ⁇ endicular to the axis of the prefo ⁇ ne. It is possible to wind the helical fabric 10 in frustoconical turns, for example as illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 8 differs from that of FIG. 7 in that the turntable 30 which supports the preform during formation is provided with a frustoconical base 80 which defines the shape of the turns constituting the preform 60.
  • the angle formed by the frustoconical turns of the preform 60 with the axis 40 is equal to 45 *, as is the angle formed by the frustoconical layers of the strip of fabric 10 stored on the mandrel 70.
  • the plate 30 and the mandrel 70 are driven in rotation (arrows f5 and f4) with the same speed and the advance of the stacking 72 of the strata on the mandrel 70 is controlled at this speed of rotation so that the transfer of the strip of helical tissue the mandrel 70 to the plate 30 is produced by tangential contact between the stack 73 and the preform 60. It is not necessary to provide a pressure roller upstream of the needle board 50, as in the embodiment of the figure 7.
  • the needling of the strip of fabric 10 on the turntable 30 is carried out according to the same principles as those described with reference to FIGS. 3 and 4, the needle board 50 being inclined relative to the horizontal by an angle of 45 * so that the penetration of the needles into the turns of the preform 60 is pe ⁇ endicular to the turns.
  • the position of the needle board 50 is determined to avoid any interference between the needles and the guide tube 42, except to provide the latter with a coating similar to the base felt 56 which covers the frustoconical base 80.
  • the winding of the preform 60 in frustoconical turns allows, after cutting of annular preforms of brake discs, to have rubbing faces not parallel to the layers of fabric.
  • annular preforms of brake discs in carbon-carbon composite are envisaged.
  • the invention is applicable to the production of annular preforms for carbon-carbon composite parts having other applications, for example wheels. It is also applicable to the production of annular preforms for parts made of composite materials other than carbon-carbon, the nature of the fibers of the preforms being chosen as a function of the constituent material desired for the fibrous reinforcement of the composite parts.

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Abstract

Des préformes fibreuses destinées à la fabrication de pièces annulaires en matériau composite sont réalisées par enroulement, en couches superposées, d'une bande de tissu (10) de forme spirale ou hélicoïdale comprenant des fils de chaîne sensiblement hélicoïdaux et des fils de trame sensiblement radiaux. La masse surfacique de la chaîne du tissu hélicoïdal est croissante entre son diamètre intérieur et son diamètre extérieur et les couches de la bande de tissu sont aiguilletées de manière à être liées entre elles par des fibres tirées de fils du tissu, l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne compensant au moins approximativement pour la densité volumique de la préforme, la diminution de densité de la trame entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur.

Description

Procédé pour la réalisation de préformes fibreuses destinées à ia fabrication de pièces annulaires en matériau composite
La présente invention concerne un procédé pour la réalisation de préformes fibreuses destinées à la fabrication de pièces annulaires en matériau composite.
Un domaine particulier, mais non exclusif, d'application de l'invention est la fabrication de disques de frein en matériau composite, notamment des disques de frein en composite carbone-carbone.
Des pièces annulaires en matériau composite, telles que des disques de frein sont constituées d'un renfort fibreux, ou préforme, densifïé par une matrice. Pour des disques de frein en composite carbone-carbone, la préforme est en fibres de carbone ou en fibres d'un précurseur du carbone qui est transformé en carbone par traitement thermique après réalisation de la préforme. Un précurseur du carbone disponible sous forme de fibres est notamment le polyacrylonitrile (PAN) préoxydé. La densification de la préfoπne peut être réalisée par voie liquide - imprégnation par un précurseur liquide du carbone, par exemple une résine, et transformation du précurseur par traitement thermique - , ou par infiltration chimique en phase vapeur.
Un procédé bien connu pour réaliser des préformes fibreuses de pièces en matériau composite consiste à superposer et à aiguilleter des couches ou strates d'une texture fibreuse bidimensionnelle. La texture fibreuse est par exemple un tissu. Le tissu est éventuellement recouvert d'un voile de fibres qui procure les fibres susceptibles d'être déplacées par les aiguilles à travers les strates supeφosées ; il en est ainsi en particulier lorsque le tissu est en fibres difficilement aiguilletables sans rupture des fils qu'elles constituent, notamment en fibres de carbone. Un tel procédé est décrit notamment dans les documents FR-A- 2 584 106 et FR-A-2 584 107 respectivement pour la réalisation de préformes planes et pour la réalisation de préformes de révolution.
Une préforme annulaire pour un disque de frein peut être découpée dans une plaque épaisse foπnée de couches supeφosées à plat et aiguilletées. La perte de matière est de près de 50 % ce qui, dans le cas de préformes en fibres de carbone, représente un coût très important en raison du prix de revient du matériau fibreux.
Afin de diminuer cette perte, il a été proposé de réaliser la préforme en supeφosant et en aiguilletant des couches annulaires formées chacune de plusieurs secteurs assemblés. Les secteurs sont découpés dans une texture bidimensionnelle telle qu'un tissu.
La perte de matière est moindre que dans le cas de la découpe d'anneaux entiers, mais reste non négligeable. En outre, le procédé est assez délicat à mettre en oeuvre et à automatiser, notamment en raison de la nécessité de positionner correctement les secteurs tout en les décalant d'une couche à l'autre afin de ne pas superposer les lignes de séparation entre secteurs.
Il pourrait être envisagé de découper des préformes annulaires dans des manchons réalisés par enroulement sur un mandrin et aiguilletage simultanés d'une bande de tissu, comme décrit dans le document précité FR-A-2584 107. Le procédé est relativement aisé à mettre en oeuvre, sans perte de matière fibreuse.
Toutefois, dans l'application aux disques de freins, et contrairement aux modes de réalisation décrits plus haut, les strates de la préforme sont alors disposées perpendiculairement aux faces frottantes. La moindre résistance au cisaillement parallèlement aux strates peut alors représenter un inconvénient important au niveau d'encoches pratiquées sur le pourtour externe ou interne des disques pour le logement de cavaliers servant à transmettre ou à reprendre les efforts exercés sur les disques.
Une autre technique connue pour la réalisation de préformes fibreuses pour des pièces annulaires en matériau composite consiste à utiliser un produit textile en bande de forme spirale ou hélicoïdale qui est enroulée à plat en spires superposées.
Le produit textile peut être un tissu formé de fils de chaîne hélicoïdaux et de fils de trame radiaux.
Comme décrit dans les documents FR-A-2 490 687 et FR-A-2 643 656, la forme spirale ou hélicoïdale est donnée au tissu en appelant au moyen d'un rouleau tronconique des fils de chaîne dévidés de bobines individuelles montées sur un cantre. Dans un tissu ainsi réalisé, l'écartement entre les fils de trame radiaux croît sur la largeur du tissu hélicoïdal entre son diamètre intérieur et son diamètre extérieur. Afin de conserver un caractère homogène au tissu sur toute sa largeur, il est proposé dans les deux documents précités d'introduire des fils de trame supplémentaires qui s'étendent sur une partie seulement de la largeur du tissu, depuis le diamètre extérieur de celui-ci. Cette solution entraîne un surcoût important pour la fabrication du tissu et est source de défauts non négligeables.
Un autre technique décrite dans le document EP-A-0 528 336 consiste à utiliser une tresse tubulaire. En raison de sa déformabilité, la tresse, après avoir été aplatie, peut être bobinée en hélice en formant des spires annulaires superposées qui sont liées entre elles par aiguilletage. Lors de la fabrication de la tresse tubulaire, des éléments unidirectionnels peuvent être introduits parallèlement à l'axe de la tresse. Par une variation appropriée du titre et/ou de récartement mutuel des éléments unidirectionnels entre les bords opposés de la tresse aplatie, il est possible d'introduire une compensation à la variation de densité surfacique de la tresse entre ces deux bords qui est causée par la déformation de la tresse lors de son enroulement en hélice à plat. Toutefois, l'introduction des éléments unidirectionnels pénalise la déformabilité de la tresse. De plus, lors de l'enroulement de la tresse en hélice, la longueur décrite par les éléments unidirectionnels varie de façon importante entre la circonférence intérieure et la circonférence extérieure de la préforme annulaire. Il est bien envisagé dans le document EP-A-0 528336, lors de la fabrication de la tresse, d'exercer des tensions plus ou moins grandes sur les éléments unidirectionnels selon qu'ils seront situés à proximité de la circonférence intérieure ou de la circonférence extérieure de la préfoπne annulaire. Mais outre le fait que cela ne permet qu'une compensation très limitée des différences de longueurs décrites par les éléments unidirectionnels, le maintien de la tension après fabrication de la tresse n'est pas garanti, d'où de possibles retraits et ondulations des éléments unidirectionnels. De plus, l'introduction d'éléments unidirectionnels dans la tresse tubulaire, d'autant si elle doit être réalisée avec des tensions différentes, complique de façon notable l'élaboration de la préforme.
L'invention a pour but de fournir un procédé ne présentant pas les inconvénients des procédés de l'art antérieur, c'est-à-dire un procédé permettant de réaliser des préformes annulaires destinées à la fabrication de pièces en matériau composite, sans perte de matière et à un coût relativement peu élevé, tout en conservant un taux volumique de fibres sensiblement uniforme dans toute la préforme.
Ce but est atteint grâce à un procédé du type comprenant l'enroulement, en couches supeφosées, d'une bande de tissu de forme spirale ou hélicoïdale comprenant des fils de chaîne sensiblement hélicoïdaux et des fils de trame sensiblement radiaux, procédé selon lequel la masse surfacique de la chaîne du tissu hélicoïdal est croissante entre son diamètre intérieur et son diamètre extérieur et les couches de la bande de tissu sont aiguilletées de manière à être liées entre elles par des fibres tirées de fils du tissu, l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne compensant au moins approximativement, pour la densité volumique de la préforme, la diminution de densité de la trame entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur.
Pour la réalisation de pièces annulaires en matériau composite, notamment pour des disques de frein, la déposante a constaté qu'il est surtout important de garantir un taux volumique de fibres sensiblement constant dans tout le volume de la préfoπne, le taux volumique de fibres étant le pourcentage occupé effectivement par les fibres dans une unité de volume de préforme. En effet, un taux volumique sensiblement uniforme signifie une porosité sensiblement uniforme. La densifîcation de la préforme peut alors être réalisée de façon sensiblement homogène, conférant au matériau composite des caractéristiques sensiblement uniformes dans tout son volume.
Avec le procédé selon l'invention, l'homogénéité de la porosité est obtenue par la combinaison de l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur et de l'aiguilletage.
Certes, l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne, plutôt que celle de la trame, comme dans l'art antérieur évoqué plus haut, aggrave dans une certaine mesure l'inhomogénéité surfacique du tissu hélicoïdal. Mais, en particulier pour l'application aux disques de frein, cette inhomogénéité surfacique reste tout à fait acceptable lorsque le diamètre intérieur du tissu n'est pas trop petit et la différence entre les diamètres intérieur et extérieur pas trop grande.
De plus, alors que l'augmentation de la masse surfacique de la trame par introduction de fils de trame supplémentaires sur une partie de la largeur du tissu complique la fabrication de celui-ci et en augmente notablement le coût, l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne peut être réalisée simplement et sans surcoût, par exemple en utilisant des fils de chaîne de titre croissant et/ou en augmentant la densité des fils de chaîne, entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur du tissu.
Enfin, la fabrication de la texture de base, ici le tissu hélicoïdal, n'est pas compliquée par l'adjonction d'éléments unidirectionnels ou fils supplémentaires.
Le tissu hélicoïdal doit se prêter à l'opération d'aiguilletage sans que les aiguilles aient un effet destructeur sur les fils qui constituent le tissu. Lorsque la préforme doit être réalisée en fibres de carbone ou céramique, il est alors préférable d'utiliser un tissu hélicoïdal au moins partiellement constitué de fils comprenant des fibres discontinues qui peuvent être tirées facilement par les aiguilles. Ces fils peuvent être constitués de fibres de carbone ou de céramique, ou de fibres en un précurseur de carbone ou de céramique, la transformation du précurseur en carbone ou en céramique étant réalisée par traitement thermique réalisé par exemple après aiguilletage. On utilise avantageusement un tissu hélicoïdal dont les fils, comme décrit dans le document EP-A-0489 637 sont formés de fibres discontinues parallèles entre elles et non retordues et d'un guipage qui assure l'intégrité du fil. Le guipage est réalisé avec un fil en un matériau fugitif qui est éliminé avant {'aiguilletage. L'élimination du fil de guipage libère les fibres pour l'aiguilletage et évite, du fait du foisonnement des fibres, la présence de macroporosités.
En variante, le fil guipé peut être remplacé par une mèche formée de fibres discontinues parallèles avec une cohésion suffisante pour permettre le tissage sans gêner l'aiguilletage ultérieur. Cette cohésion minimale peut être apportée par une légère torsion, par exemple pas plus de 15 tours par mètre. L'aiguilletage est réalisé avantageusement avec une densité surfacique de coups d'aiguilles sensiblement constante sur toute la surface des couches de la bande de tissu. On pourra utiliser à cet effet un ensemble d'aiguilles qui couvre un secteur s'etendant sur toute la largeur de la bande de tissu hélicoïdal.
Avantageusement encore, l'aiguilletage est réalisé sur une profondeur sensiblement constante, au fur et à mesure de l'enroulement à plat de la bande de tissu hélicoïdal.
L'enroulement de la bande de tissu peut être réalisé autour d'un axe en formant des couches supeφosées sensiblement peφendiculaires à cet axe, ou en formant des couches superposées tronconiques. L'axe autour duquel la bande de tissu est enroulée peut être matérialisé par un tube.
D'autres particularités et avantages du procédé conforme à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique montrant un tissu de forme hélicoïdale utilisable pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ;
- la figure 2 illustre schématiquement une variante de réalisation d'un tissu de forme hélicoïdale également utilisable pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ;
- la figure 3 montre de façon très schématique, en élévation et en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ;
- la figure 4 est une vue de dessus en coupe suivant le plan IV-IV de la figure 3 ;
- la figure 5 illustre de façon très schématique, en élévation et en coupe, une variante de réalisation du dispositif illustré par les figures 3 et 4 ;
- la figure 6 est une vue de dessus en coupe suivant la ligne VI- VI de la figure 5 ;
- la figure 7 illustre de façon très schématique, en élévation et en coupe, une autre variante de réalisation du dispositif des figures 3 et 4 ; et - la figure 8 montre de façon très schématique, en élévation et en coupe, un deuxième mode de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention.
Dans ce qui suit, on envisage à titre d'exemple la réalisation de préformes annulaires en fibres de carbone pour la fabrication de disques de frein en matériau composite carbone-carbone. Les préformes sont réalisées par enroulement en couches superposées et aiguilletage d'une bande de tissu 10 de forme hélicoïdale ou spirale par exemple telle qu'illustrée par la figure 1 ou la figure 2.
La bande de tissu hélicoïdal 10 est formée de fils de chaîne hélicoïdaux 12 et de fils de trame radiaux 14. Comme indiqué plus haut et décrit dans les documents déjà cités FR-A-2 490 687 et FR-A-2 643 656, le tissage est réalisé en appelant les fils de chaîne 12 de bobines d'alimentation respectives au moyen d'un rouleau d'appel conique.
Les fils de trame radiaux 14 ont un écartement mutuel qui croît entre le diamètre intérieur 16 et le diamètre extérieur 18 du tissu hélicoïdal. Afin de compenser au moins approximativement cette diminution de masse surfacique de trame, une augmentation sensiblement correspondante de la masse surfacique de chaîne est réalisée.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'augmentation de masse surfacique de chaîne est obtenue en utilisant des fils de chaîne 14 dont le titre varie en croissant entre le diamètre intérieur 16 et le diamètre extérieur 18 du tissu. Cette variation peut être continue ou par paliers. Dans ce dernier cas, la chaîne est divisée en plusieurs parties dans lesquelles les fils de chaîne 14 ont un même titre, différent de celui qu'ils présentent dans les autres parties de chaîne.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'augmentation de masse surfacique de chaîne est obtenue en faisant croître la densité des fils de chaîne 14 entre le diamètre intérieur 16 et le diamètre extérieur 18 du tissu, c'est-à-dire en diminuant récartement entre fils de chaîne, ceux-ci ayant même titre. La densité peut être modifiée de façon continue ou par paliers, en divisant la chaîne en plusieurs parties contigues. II est bien entendu possible de faire varier à la fois le titre et la densité des fils de chaîne 14.
Un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustré par les figures 3 et 4.
Le tissu hélicoïdal 10 est stocké sur un plateau horizontal fixe 20 en étant enroulé en spires superposées à plat autour d'un noyau cylindrique central 22. Le plateau 20 en forme de disque présente une fente radiale 24 d'où la bande de tissu hélicoïdal est tirée vers le bas.
La bande ainsi tirée du plateau de stockage 20 est enroulée en spires superposées à plat sur une platine tournante 30. La platine 30 est montée sur un axe vertical 32 solidaire d'un support 34. Le support 34 porte en outre un moteur 36 qui entraîne la platine 30 en rotation autour de son axe vertical 40 (flèche fl), par l'intermédiaire d'une courroie 38.
L'ensemble comprenant le support 34 et la platine 30 est mobile verticalement le long d'un tube de guidage central fixe 42 d'axe 40. A son extrémité supérieure, le tube 42 supporte le plateau 20. Le support 34, la platine 30 et le plateau 20 sont ainsi coaxiaux. Le support 34 repose sur des tiges télescopiques verticales 44, le déplacement vertical du support 34 étant commandé par un ou plusieurs vérins 46.
Au fur et à mesure de son enroulement à plat sur la platine tournante 30, la bande de tissu hélicoïdal 10 est aiguilletée au moyen d'une planche 50 portant des aiguilles 52 et animée d'un mouvement vertical alternatif. Le mouvement de la planche à aiguilles est commandé par un moteur 54, par l'intermédiaire d'une transmission de type bielle-manivelle. Le moteur 54 est porté par le support 34.
L'aiguilletage de la bande de tissu hélicoïdal 10 est réalisé avec une densité surfacique et une profondeur sensiblement constantes. Pour obtenir une densité de coups d'aiguilles 52 constante sur toute la surface d'une couche annulaire de tissu 10, la planche à aiguille 50 a une forme de secteur, correspondant à un secteur d'une couche annulaire de tissu, secteur sur lequel les aiguilles sont réparties uniformément, tandis que la platine 30 supportant la préforme 60 en cours d'élaboration est entraînée en rotation à vitesse constante. La profondeur d'aiguilletage, c'est-à-dire la distance sur laquelle les aiguilles 52 pénètrent à chaque fois dans la préforme 60, est maintenue sensiblement constante, et égale par exemple à l'épaisseur foπnée par quelques couches de tissu superposées. A cet effet, au fur et à mesure du bobinage de la bande de tissu 10 sur la platine 34, celle-ci est déplacée verticalement vers le bas de la distance voulue pour que la position relative entre la surface de la préforme et la planche à aiguilles, à une extrémité de sa course verticale, reste inchangée. A la fin de la réalisation de la préforme 60, après mise en place de la dernière spire de tissu 10, plusieurs passes d'aiguilletage sont réalisées en continuant à faire tourner la platine 30 de manière que la densité volumique d'aiguilletage dans les couches de tissu superficielles soit sensiblement la même que dans le reste de la préfoπne. Au cours d'une partie au moins de ces passes finales d'aiguilletage, un abaissement progressif de la platine 30 pourra être commandé, comme lors des phases précédentes. Ce principe d'aiguilletage à profondeur constante par abaissement progressif du support de la préfoπne et avec passes finales d'aiguilletage est connu et décrit notamment dans le document FR-A-2584 106 déjà cité. En outre, la platine 30 est revêtue d'une couche de protection 56 dans laquelle les aiguilles peuvent pénétrer sans être endommagées lors de l'aiguilletage des premières spires de tissu 10. La couche de protection 56 peut être formée d'un feutre d'embase, par exemple un feutre de polypropylène, recouvert d'une feuille de matière plastique, par exemple en polychlorure de vinyle qui évite, à la remontée des aiguilles, d'entraîner dans la préforme 60, des fibres prélevées dans le feutre d'embase.
Le tissus hélicoïdal 10 doit être apte à subir l'aiguilletage sans que celui-ci endommage les fils constitutifs du tissu de façon trop importante. Les fils 14, 16 peuvent être formés de fibres carbone ou de fibres de précurseur de carbone, par exemple de fibres de polyacrylonitrile préoxydé, la transformation du précurseur en carbone étant alors réalisée par le traitement thermique de la préforme après aiguilletage.
Avantageusement, les fils 14, 16 sont formés de fibres discontinues, par exemple de fibres discontinues parallèles entre elles et non retordues, l'intégrité étant réalisée par guipage au moyen d'un fil en matière fugitive, comme décrit dans le document EP-A-0 489 637 déjà cité.
Les fibres discontinues parallèles peuvent être obtenues par étirage et craquage contrôlé d'un câble de multifilaments en carbone. Le fil de guipage est en une matière éliminable par la chaleur ou par dissolution, par exemple un alcool polyvinylique soluble dans l'eau. Le guipage assure l'intégrité du fil pendant le tissage. L'élimination du fil de guipage est réalisée sur le tissu hélicoïdal avant aiguilletage, par exemple sur le tissu stocké sur le plateau 20 avant montage de celui-ci sur le tube 42. En variante, les fils 14, 16 peuvent être formés de mèches de fibres discontinues parallèles dont la cohésion est assurée par une légère torsion suffisante pour permettre le tissage sans gêner l'aiguilletage ultérieur.
Le dispositif qui vient d'être décrit permet de réaliser en continu des préformes de diverses longueurs, la longueur maximale étant déterminée par la course verticale du support 34 le long du tube 42. On notera que le tube 42 sert de guide non seulement à l'ensemble du support 34 et de la platine 30, mais aussi à la préforme 60 en cours d'élaboration. Lorsqu'une préforme 60 a été réalisée, elle est ensuite découpée suivant des plans radiaux pour obtenir des préformes annulaires de disques de frein d'épaisseur voulue, préformes qui sont ensuite densifiées. L'utilisation d'un tissu hélicoïdal 10 dans lequel la diminution de densité de la trame, entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur, est compensée par l'augmentation de densité de la chaîne permet, après aiguilletage, d'obtenir une préfoπne dans laquelle le taux de fibres et la porosité sont sensiblement uniformes dans tout le volume de la préforme. En outre, l'utilisation de fils formé de fibres discontinues autorise un foisonnement des fibres qui évite la présence de macroporosités, et, par conséquent, une densifîcation irrégulière.
Une variante de réalisation d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustrée par les figures 5 et 6, variante qui diffère du mode de réalisation des figures 3 et 4 uniquement par la disposition du support 20 portant le tissu hélicoïdal. Selon cette variante, le support 20 a son axe vertical décalé par rapport à l'axe 40 d'une distance légèrement supérieure à la longueur de la planche à aiguilles 50. De la sorte, le support 20 peut être disposé latéralement par rapport à la planche 50, de façon à réduire au minimum le trajet du tissu 10 entre la fente radiale 24 de sortie du support 20 et la surface supérieure de la préforme 60 en cours d'élaboration. Cette disposition permet en outre une diminution de l'encombrement du dispositif en hauteur. Le support 20 repose alors sur un pied de support particulier 56.
Une autre variante de réalisation de l'alimentation du tissu hélicoïdal est illustrée par la figure 7. La bande de tissu hélicoïdal 10 est enroulée sur un mandrin rotatif horizontal 70 en formant un empilage 73 de strates tronconiques supeφosées. L'angle des strates avec l'axe 71 du mandrin est par exemple environ égal à 45*. Les strates sont enroulées sur un flasque tronconique 72 qui est mobile en translation parallèlement à l'axe 71 du mandrin.
La rotation du mandrin 70 autour de son axe (flèche f2) est réalisée au moyen d'un moteur 74 tandis que le déplacement en translation du flasque 72 est réalisé au moyen de vérins télescopiques 76 inteφosés entre le flasque 72 et une embase 77 du mandrin.
La bande de tissu 10 est tirée du mandrin à l'extrémité opposée au flasque 72 pour être enroulée sur la platine tournante 30. L'enroulement de la bande de tissu sur la platine 30 en spires supeφosées à plat et l'aiguilletage des spires superposées sont réalisés comme décrit en référence aux figures 3 et 4.
Un circuit 78 commande les moteurs 30, 74 et les vérins 76 de sorte que la rotation du mandrin 70 et l'avance de l'empilage 73 des strates tronconiques sur le mandrin soient synchronisées avec la rotation de la platine 30 (flèche f3), afin que la bande de tissu 10 se dépose sur la préforme 60 en cours d'aiguilletage avec une géométrie convenable, sans déformation de la bande de tissu. Un cylindre presseur 79 porté par le support 34 peut être prévu en amont de la planche à aiguilles 50 pour parfaire la présentation de la bande de tissu 10 avant l'aiguilletage.
Dans le cas des figures 3 à 7, le bobinage du tissu hélicoïdal 10 est réalisé en spires annulaires superposées à plat peφendiculairement à l'axe de la préfoπne. Il est possible de réaliser un bobinage du tissu hélicoïdal 10 en spires tronconiques, par exemple de la façon illustrée par la figure 8.
Le mode de réalisation de la figure 8 diffère de celui de la figure 7 en ce que la platine tournante 30 qui supporte la préforme en cours de formation est munie d'une embase tronconique 80 qui définit la forme des spires constitutives de la préforme 60.
L'angle que forment les spires tronconiques de la préforme 60 avec l'axe 40 est égal à 45*, de même que l'angle que forment les strates tronconiques de la bande de tissu 10 stockée sur le mandrin 70. La platine 30 et le mandrin 70 sont entraînés en rotation (flèches f5 et f4) avec une même vitesse et l'avance de l'empilage 72 des strates sur le mandrin 70 est asservie à cette vitesse de rotation de sorte que le transfert de la bande de tissu hélicoïdal du mandrin 70 à la platine 30 est réalisé par contact tangentiel entre l'empilage 73 et la préforme 60. Il n'est pas nécessaire de prévoir un galet presseur en amont de la planche à aiguilles 50, comme dans le mode de réalisation de la figure 7.
L'aiguilletage de la bande de tissu 10 sur la platine tournante 30 est réalisé suivant les mêmes principes que ceux décrits en référence aux figures 3 et 4, la planche à aiguilles 50 étant inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle de 45* de sorte que la pénétration des aiguilles dans les spires de la préforme 60 est peφendiculaire aux spires. La position de la planche à aiguilles 50 est déterminée pour éviter toute interférence entre les aiguilles et le tube de guidage 42, sauf à munir celui-ci d'un revêtement analogue au feutre d'embase 56 qui recouvre l'embase tronconique 80. Le bobinage de la préforme 60 en spires tronconiques permet, après découpe de préformes annulaires de disques de frein, d'avoir des faces frottantes non parallèles aux couches de tissu.
Dans ce qui précède, il est envisagé la réalisation de préformes annulaires de disques de freins en composite carbone-carbone. L'invention est applicable à la réalisation de préformes annulaires pour des pièces composites en carbone- carbone ayant d'autres applications, par exemple des roues. Elle est également applicable à la réalisation de préformes annulaires pour des pièces en matériaux composites autres que le carbone-carbone, la nature des fibres des préformes étant choisie en fonction de la matière constitutive souhaitée pour le renfort fibreux des pièces composites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la réalisation de préformes fibreuses destinées à la fabrication de pièces annulaires en matériau composite, procédé comprenant l'enroulement, en couches supeφosées, d'une bande de tissu de forme spirale ou hélicoïdale comprenant des fils de chaîne sensiblement hélicoïdaux et des fils de trame sensiblement radiaux, caractérisé en ce que la masse surfacique de la chaîne du tissu hélicoïdal est croissante entre son diamètre intérieur et son diamètre extérieur et les couches de la bande de tissu sont aiguilletées de manière à être liées entre elles par des fibres tirées de fils du tissu, l'augmentation de la masse surfacique de la chaîne compensant au moins approximativement pour la densité volumique de la préforme, la diminution de densité de la trame entre le diamètre intérieur et la diamètre extérieur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu hélicoïdal (10) est au moins partiellement constitué de fils comprenant des fibres discontinues parallèles.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tissu hélicoïdal (10) est au moins partiellement constitué de fils comprenant des fibres discontinues parallèles et dont l'intégrité est assurée par un fil de guipage fugitif, et en ce que le fil de guipage est éliminé avant aiguilletage.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tissu hélicoïdal (10) est au moins partiellement constitué de fils comprenant des fibres discontinues et dont la cohésion est assurée par une légère torsion.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le titre des fils de chaîne (12) est croissant entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la densité des fils de chaîne (12) est croissante entre le diamètre intérieur et le diamètre extérieur.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisée avec une densité surfacique de coups d'aiguilles sensiblement constante sur toute la surface des couches de la bande de tissu.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé au moyen d'un ensemble d'aiguilles (50) qui couvre un secteur s'etendant sur toute la largeur de la bande de tissu.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé sur une profondeur sensiblement constante.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé progressivement, au fur et à mesure de l'enroulement à plat de la bande de tissu.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bande de tissu hélicoïdal est enroulée autour d'un axe en formant des couches superposées sensiblement perpendiculaires à cet axe.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la bande de tissu est enroulée autour d'un axe en formant des couches supeφosées tronconiques.
13. Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la bande de tissu est enroulée autour d'un tube (42).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la bande de tissu est stockée sur un plateau (20) d'où elle est tirée à travers une fente radiale (24).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la bande de tissu (10) est stockée sur un mandrin (70) où elle est enroulée en formant un empilage (73) de strates tronconiques superposées.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la bande de tissu est prélevée du mandrin (70) au fur et à mesure de son enroulement sur une platine tournante pour former une préforme (60, fig. 8) constituée de spires tronconiques supeφosées, le transfert de la bande de tissu étant réalisé par contact tangentiel entre l'empilage de strates tronconiques sur le mandrin et la préforme en cours de formation.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la bande de tissu (10) est enroulée à plat et est aiguilletée en continu, au fur et à mesure de son enroulement, de manière à former un manchon, et des préformes destinées à la fabrication de pièces annulaires sont découpées dans le manchon.
18. Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 pour la réalisation de préformes annulaires destinées à la fabrication de disques de frein en matériau composite.
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