WO2015079146A1 - Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites comportant la réalisation d'une âme ou d'un moule par stéréolithographie - Google Patents

Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites comportant la réalisation d'une âme ou d'un moule par stéréolithographie Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for repairing sandwich panels made of composite materials, as well as a sandwich panel and a turbojet engine nacelle repaired with such a method.
  • Composite sandwich panels having a central core covered by two outer skins, constitute a reduced mass assembly having a high rigidity.
  • Any form of panels can be made which are more and more used, especially in the aeronautical field. This type of panel is used in particular in nacelles containing a turbojet, in order to produce rigid structures comprising good aerodynamic profiling.
  • the production of these panels generally comprises the manufacture of a core which may be a rigid foam, or a structure having transverse honeycomb-shaped cells, made of plastic or aluminum alloy in particular, which is draped in fibers impregnated with resin forming folds constituting a skin on each side.
  • a core which may be a rigid foam, or a structure having transverse honeycomb-shaped cells, made of plastic or aluminum alloy in particular, which is draped in fibers impregnated with resin forming folds constituting a skin on each side.
  • Panels of any shape may be obtained, having a particular strength which can be adjusted by defining the thickness of the core, and the nature and number of pleats arranged locally on each face.
  • the present invention is intended to avoid these disadvantages of the prior art.
  • An advantage of this repair method is that from a digital model of the form received from the manufacturer of the panel, or acquired directly by measurements on the damaged panel, it is possible to carry out in a simple and rapid manner by the stereolithography method. , without delay of supply of particular parts, a mold or a soul corresponding exactly to the shape of the damaged zone. This mold or core then makes it possible to produce the replacement part comprising the original shapes, which will economically replace only the area of the damaged panel.
  • the repair method according to the invention may further comprise one or more of the following features, which may be combined with one another.
  • the stereolithography realizes a mold or a core and / or a replacement skin from a polymerization of resins under the effect of light and heat.
  • the stereolithography produces a mold, or a core and / or a metal or ceramic skin, from powder mixtures with a paste composed of photosensitive resin.
  • the repair method can produce a porous metal core and / or skin.
  • This soul and / or skin may advantageously have similar characteristics to those of the soul and / or skin of origin.
  • the method according to the invention can produce a porous metal replacement core.
  • the repair method realizes the replacement part by covering the replacement core with first layers of folds which are draped over it, all the folds constituting at least part of at least one of the two skins of the panel. sandwich to repair. This soul can be reinforced to prepare the replacement piece.
  • the layers of folds can be draped directly on the mold.
  • the replacement part is fixed by mechanical splicing on the panel to be repaired, that is to say it is fixed via at least one metal or composite junction piece fixed on the replacement part and on the sandwich panel to be repaired by fasteners passing right through the sandwich panel or not.
  • the repair method realizes the attachment of the replacement part in the opening of the panel, by the removal of cover folds on both sides of the panel. We thus obtain a continuity of the two skins of the panel which gives it its rigidity.
  • the invention also relates to a sandwich panel made of composite materials comprising a core receiving a skin on each face, this panel having received a replacement part fitted into an opening for performing a repair, with a repair method comprising any of the preceding features.
  • the invention furthermore relates to a turbojet engine nacelle provided for an aircraft, comprising sandwich panels made of composite materials comprising a core receiving a skin on each face, this panel having received a replacement part fitted into an opening to carry out a repair. , with a repair method comprising any of the preceding features.
  • FIG. 1 is a diagram showing a method of repair according to FIG. 'invention.
  • FIG. 1 presents in a first step A a sandwich panel having a core 2 comprising on each face a skin 4 made of composite materials.
  • the sandwich panel has a particular curvature made by molding before the firing of the composite materials, this molding also giving a smooth and regular surface condition.
  • the panel received in a curvature a significant shock, forming a damaged area with a bore 6 through it completely.
  • a second step B is made around the damaged area a cutout over the entire thickness of the panel to retain only the healthy and undeformed part of this panel, to form an opening 6 comprising a contour of simple shape, with edges cutting perpendicular to the surface 8 which are net.
  • a subsequent step C that can be performed in parallel involves the production of a digital file that can be the recovery 22 digital plans of the original manufacturer of the panel, such as a CAD model used in the drawing or the manufacture of this panel , or the reconstitution of a 24 digital plane from measurements made directly on the damaged panel.
  • a digital file that can be the recovery 22 digital plans of the original manufacturer of the panel, such as a CAD model used in the drawing or the manufacture of this panel , or the reconstitution of a 24 digital plane from measurements made directly on the damaged panel.
  • a following step D comprises the production of a mold 10 from the digital file, made by a stereolithography process, which comprises a smooth inner surface 12 having a curvature corresponding to that of the panel in its damaged part.
  • a next step E comprises the production of a core 14 and / or a repair skin in the mold 10, from known materials and molding methods, covering a surface at least equal to the opening of the panel 6 to be replaced; the repair skin 4 is intended to be glued to a core (2, 14).
  • a core 14 and / or a skin 4 obtained also by the stereolithography process is produced directly in another step F, and likewise comprising a curvature corresponding to that of the panel in its damaged part.
  • Stereolithography is a technique also called rapid prototyping, which makes it possible to manufacture solid objects from a digital model, by superimposing thin slices of material.
  • the three-dimensional numerical model is cut into thin slices of constant thickness, including a two-dimensional contour. This thickness chosen by the operator determines the resolution of the restitution, and therefore the accuracy of the object that will be produced.
  • the oldest method is photopolymerization, based on the properties of certain resins to be polymerized under the effect of light and heat.
  • the resin used is generally a mixture of acrylate or epoxy monomers, and a photo -Initiator that initiates the polymerization of the material under the effect of light.
  • a mobile platform immersed in a liquid resin tank supports the model being manufactured.
  • a fixed laser has a beam control device, and another orientation of this beam to direct it to any point of the platform.
  • the slices constituting the model are then processed one by one.
  • the laser beam scans the liquid resin surface according to the shape of the software defined wafer to solidify a wafer by making a solid polymer.
  • the platform then descends from a height corresponding to the thickness of the slice according to the chosen resolution, and the process is renewed to form a new slice fully integral with the previous one.
  • the last step involves baking the object to harden it.
  • a method developed more recently makes it possible to produce metal or ceramic parts by mixing the corresponding powders with a paste composed of photosensitive resin.
  • the mixture once insolated by the laser radiation, forms a polymer network that traps the mineral particles.
  • a heat treatment of the object makes it possible to obtain a dense ceramic.
  • step F a core 14 made of metallic or ceramic materials, which may be porous or not, reproducing precisely the original part of the core of the panel which has been removed.
  • a next step G comprises the preparation of a replacement part 18 comprising this core, which is covered if necessary with first layers of folds 16 which are draped over and undergo a first cooking, in order to give this piece some resistance.
  • the cutout of the contour of the replacement part 18 is touched up to ensure its fit in the opening of the panel 6.
  • the last step H comprises the adjustment of the replacement part
  • connection means including for example the deposition of folds of covering 20 on both sides of the panel to obtain maximum strength of the assembly.
  • a repaired panel is thus obtained which has found the integrity of its inner core and / or outer skin (s), and which may have characteristics similar to those of the original panel, particularly with regard to the mechanical properties. , aerodynamic and acoustic.

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Abstract

Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites après un choc ayant endommagé l'âme de ce panneau, caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition d'un modèle numérique de la forme de la zone endommagée, puis la réalisation par un procédé de stéréolithographie à partir du modèle numérique, d'une âme de remplacement (14), ou d'un moule (10) dans lequel on va mouler cette âme de remplacement, ensuite la réalisation d'une pièce de remplacement (18)comprenant cette âme, puisla mise en place de cette pièce qui est ajustée à l'intérieur d'une ouverture (6) découpée dans le panneau sandwich autour de l'endommagement, et enfin la fixation de la pièce de remplacement sur le panneau.

Description

Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites comportant la réalisation d'une âme ou d'un moule par stéréolithographie
La présente invention concerne un procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites, ainsi qu'un panneau sandwich et une nacelle de turboréacteur réparés avec un tel procédé.
Les panneaux sandwich en matériaux composites, disposant d'une âme centrale recouverte par deux peaux extérieures, constituent un ensemble de masse réduite comportant une forte rigidité.
On peut réaliser des panneaux de forme quelconque qui sont de plus en plus utilisés, notamment dans le domaine aéronautique. On utilise en particulier ce type de panneau dans des nacelles contenant un turboréacteur, afin de réaliser des structures rigides comportant un bon profilage aérodynamique.
La réalisation de ces panneaux comporte généralement la fabrication d'une âme qui peut être une mousse rigide, ou une structure disposant d'alvéoles transversales en forme de nid d'abeille, en matière plastique ou en alliage d'aluminium notamment, qui est drapée dans des fibres imprégnées de résine formant des plis constituant une peau sur chaque face.
Cet ensemble est ensuite pressé dans un moule, puis cuit dans un four afin de polymériser la résine. On obtient des panneaux pouvant prendre des formes quelconques, comportant une résistance particulière qui peut être ajustée en définissant l'épaisseur de l'âme, ainsi que la nature et le nombre de plis disposés localement sur chaque face.
En cas de choc important sur ce type de panneaux sandwich, utilisés notamment dans le domaine aéronautique, causant un endommagement de l'âme, en particulier une perforation traversante du panneau, on remplace alors habituellement le panneau complet afin de disposer d'une pièce de remplacement comportant des caractéristiques de résistance, de forme ainsi que d'aspect qui restent similaires.
Cependant ces remplacements peuvent nécessiter un délai d'approvisionnement des nouvelles pièces, qu'il faut alors fabriquer si aucune pièce n'est disponible en stock. De plus le coût d'une nouvelle pièce peut être relativement onéreux, l'impact écologique d'une pièce entière mise au rebut est important, et le changement complet de la pièce peut donner une mauvaise image aux clients.
La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites comportant une âme recevant une peau sur chaque face, après un choc ayant endommagé l'âme ou une peau de ce panneau, remarquable en ce qu'il comporte l'acquisition d'un modèle numérique de la forme de la zone endommagée, puis la réalisation par un procédé de stéréolithographie à partir du modèle numérique, d'une âme et / ou d'une peau de remplacement, ou d'un moule dans lequel on va mouler cette âme de remplacement et / ou d'un moule dans lequel on va mouler cette peau de remplacement sur laquelle sera collée une âme, ensuite la réalisation d'une pièce de remplacement comprenant cette âme et / ou cette peau, puis la mise en place de cette pièce qui est ajustée à l'intérieur d'une ouverture découpée dans le panneau sandwich autour de l'endommagement, et enfin la fixation de la pièce de remplacement sur le panneau.
Un avantage de ce procédé de réparation est qu'à partir d'un modèle numérique de la forme reçu du fabricant du panneau, ou acquis directement par des mesures sur le panneau endommagé, on peut réaliser de manière simple et rapide par le procédé de stéréolithographie, sans délai d'approvisionnement de pièces particulières, un moule ou une âme correspondant exactement à la forme de la zone endommagée. Ce moule ou cette âme permet de produire ensuite la pièce de remplacement comprenant les formes d'origine, qui va remplacer de manière économique seulement la zone du panneau endommagée.
Le procédé de réparation selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Suivant un mode de réalisation, la stéréolithographie réalise un moule ou une âme et / ou une peau de remplacement à partir d'une polymérisation de résines sous l'effet de la lumière et de la chaleur.
Suivant un autre mode de réalisation, la stéréolithographie réalise un moule, ou une âme et / ou une peau métalliques ou céramiques, à partir de mélanges de poudres avec une pâte composée de résine photosensible.
En particulier le procédé de réparation peut réaliser une âme et / ou une peau métallique poreuse. Cette âme et / ou cette peau peuvent avantageusement comporter des caractéristiques similaires à celles de l'âme et/ou de la peau d'origine.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut réaliser une âme de remplacement métallique poreuse.
Avantageusement, le procédé de réparation réalise la pièce de remplacement en recouvrant l'âme de remplacement de premières couches de plis qui sont drapées dessus, l'ensemble des plis constituant au moins une partie d'au moins l'une des deux peaux du panneau sandwich à réparer. On peut ainsi renforcer cette âme pour préparer la pièce de remplacement.
Les couches de plis peuvent être drapées directement sur le moule.
La pièce de remplacement est fixée par éclissage mécanique sur le panneau à réparer, c'est-à-dire qu'elle est fixée via au moins une pièce de jonction métallique ou composite fixée sur la pièce de remplacement et sur le panneau sandwich à réparer par des fixations traversant de part en part le panneau sandwich ou non.
Avantageusement, le procédé de réparation réalise la fixation de la pièce de remplacement dans l'ouverture du panneau, par la dépose de plis de recouvrement sur les deux faces du panneau. On obtient ainsi une continuité des deux peaux du panneau qui lui donne sa rigidité.
L'invention a aussi pour objet un panneau sandwich en matériaux composites comportant une âme recevant une peau sur chaque face, ce panneau ayant reçu une pièce de remplacement ajustée dans une ouverture pour effectuer une réparation, avec un procédé de réparation comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
L'invention a de plus pour objet une nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef, comprenant des panneaux sandwich en matériaux composites comportant une âme recevant une peau sur chaque face, ce panneau ayant reçu une pièce de remplacement ajustée dans une ouverture pour effectuer une réparation, avec un procédé de réparation comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence à la figure 1 annexée qui est un schéma présentant un procédé de réparation selon l'invention.
La figure 1 présente dans une première étape A un panneau sandwich disposant d'une âme 2 comprenant sur chaque face une peau 4 réalisée en matériaux composites. Le panneau sandwich comporte une courbure particulière réalisée par moulage avant la cuisson des matériaux composites, ce moulage donnant aussi un état de surface régulier et lisse.
On peut en particulier réaliser des panneaux constituant des viroles formant des surfaces externe ou interne de nacelles d'aéronefs, qui disposent de formes aérodynamiques soignées apportant un bon rendement.
Le panneau a reçu dans une courbure un choc important, formant une zone endommagée comportant un perçage 6 le traversant complètement.
Dans une deuxième étape B on réalise autour de la zone endommagée une découpe sur toute l'épaisseur du panneau afin de conserver uniquement la partie saine et non déformée de ce panneau, pour constituer une ouverture 6 comprenant un contour de forme simple, disposant de bords de découpe perpendiculaires à la surface 8 qui sont net.
Une étape suivante C pouvant être effectuée en parallèle, comporte la réalisation d'un fichier numérique qui peut être la reprise 22 de plans numériques du fabricant d'origine du panneau, comme un modèle CAO ayant servi au dessin ou à la fabrication de ce panneau, ou la reconstitution 24 d'un plan numérique à partir de mesures effectuées directement sur le panneau endommagé.
Suivant un premier mode de réalisation, une étape suivante D comporte la réalisation d'un moule 10 à partir du fichier numérique, réalisé par un procédé de stéréolithographie, qui comporte une surface intérieure lisse 12 disposant d'une courbure correspondant à celle du panneau dans sa partie endommagée.
Une étape suivante E comporte la réalisation d'une âme 14 et / ou d'une peau de réparation dans le moule 10, à partir de matériaux et suivant des procédés de moulage connus, couvrant une surface au moins égale à l'ouverture du panneau 6 qui est à remplacer ; la peau 4 de réparation est destinée à être collée à une âme (2, 14).
Suivant un deuxième mode de réalisation, en variante de ces deux dernières étapes D, E, on réalise directement dans une autre étape F une âme 14 et / ou une peau 4 obtenue aussi par le procédé de stéréolithographie, et comprenant de la même manière une courbure correspondant à celle du panneau dans sa partie endommagée.
La stéréolithographie est une technique appelée aussi prototypage rapide, qui permet de fabriquer des objets solides à partir d'un modèle numérique, en réalisant une superposition de tranches fines de matière.
Le modèle numérique en trois dimensions est découpé en tranches fines d'épaisseur constante, comprenant un contour en deux dimensions. Cette épaisseur choisie par l'opérateur détermine la résolution de la restitution, et donc la précision de l'objet qui va être produit.
II existe plusieurs procédés de stéréolithographie.
Le procédé le plus ancien est la photo-polymérisation, reposant sur les propriétés de certaines résines à polymériser sous l'effet de la lumière et de la chaleur.La résine utilisée est généralement un mélange de monomères acrylates ou époxys, et d'un photo-initiateur qui initie la polymérisation du matériau sous l'effet de la lumière.
Dans ce procédé une plateforme mobile plongée dans une cuve de résine liquide, supporte le modèle en cours de fabrication. Un laser fixe comporte un dispositif de contrôle du faisceau, et un autre d'orientation de ce faisceau permettant de le diriger en n'importe quel point de la plateforme.
Les tranches constituant le modèle sont ensuite traitées une par une. Le faisceau laser balaye la surface de résine liquide en fonction de la forme de la tranche définie par un logiciel, afin de solidifier une tranche en réalisant un polymère solide. La plateforme descend ensuite d'une hauteur correspondant à l'épaisseur de la tranche suivant la résolution choisie, et le processus se renouvelle pour former une nouvelle tranche entièrement solidaire de la précédente.
Après un rinçage du modèle obtenu pour éliminer la résine non polymérisée, la dernière étape comporte une cuisson de l'objet afin de le durcir.
Une méthode développée plus récemment permet de produire des pièces métalliques ou céramiques, en mélangeant des poudres correspondantes à une pâte composée de résine photosensible.
Le mélange une fois insolé par le rayonnement laser, forme un réseau polymère emprisonnant les particules minérales. A la fin, un traitement thermique de l'objet permet d'obtenir une céramique dense.
On peut ainsi avec ce dernier procédé réaliser directement dans l'étape F, une âme 14 en matériaux métalliques ou céramiques, qui peut être poreuse ou non, reproduisant précisément la partie d'origine de l'âme du panneau qui a été enlevée.
Après l'un des deux modes de réalisation de l'âme 14, une étape suivante G comporte la préparation d'une pièce de remplacement 18 comprenant cette âme, qui est recouverte si nécessaire de premières couches de plis 16 qui sont drapées dessus et subissent une première cuisson, afin de donner à cette pièce une certaine résistance.
Si nécessaire on retouche la découpe du contour de la pièce de remplacement 18, afin d'assurer son ajustement dans l'ouverture du panneau 6.
La dernière étape H comporte l'ajustement de la pièce de remplacement
18 dans l'ouverture du panneau 6, puis la fixation de cette pièce par un moyen connu de raccordement, comprenant par exemple la dépose de plis de recouvrement 20 sur les deux faces du panneau afin d'obtenir une solidité maximum de l'ensemble.
On obtient ainsi un panneau réparé qui a retrouvé l'intégrité de son âme intérieure et / ou de sa ou ses peaux 4 externes, et qui peut comporter des caractéristiques similaires à celles du panneau d'origine, notamment en ce qui concerne les propriétés mécaniques, aérodynamiques et acoustiques.
En particulier pour des panneaux subissant différents types de contraintes spécifiques, comme des panneaux d'une nacelle de turboréacteur pour lesquels la masse, et les performances aérodynamiques ainsi qu'acoustiques données par des formes particulières qui doivent être respectées, sont importantes, ce type de réparation rapide et économique convient particulièrement.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de réparation de panneaux sandwich en matériaux composites comportant une âme (2) recevant une peau (4) sur chaque face, après un choc ayant endommagé l'âme de ce panneau, caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition d'un modèle numérique de la forme de la zone endommagée, puis la réalisation par un procédé de stéréolithographie à partir du modèle numérique, d'une âme (14) et / ou d'une peau de remplacement, ou d'un moule (10) dans lequel on va mouler cette âme de remplacement et / ou d'un moule dans lequel on va mouler cette peau de remplacement, ensuite la réalisation d'une pièce (18) de remplacement comprenant cette âme (14) et / ou cette peau de remplacement, puis la mise en place de cette pièce qui est ajustée à l'intérieur d'une ouverture (6) découpée dans le panneau sandwich autour de l'endommagement, et enfin la fixation de la pièce de remplacement sur le panneau.
2 - Procédé de réparation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la stéréolithographie réalise un moule (10) ou une âme (14) et / ou une peau de remplacement à partir d'une polymérisation de résines sous l'effet de la lumière et de la chaleur.
3 - Procédé de réparation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la stéréolithographie réalise un moule (10), ou une âme (14) et / ou une peau métalliques ou céramiques, à partir de mélanges de poudres avec une pâte composée de résine photosensible.
4 - Procédé de réparation selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il réalise une âme (14) de remplacement métallique poreuse.
5 - Procédé de réparation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il réalise la pièce de remplacement (18) en recouvrant l'âme (14) de remplacement de premières couches de plis (16) qui sont drapées dessus, l'ensemble des plis constituant au moins une partie d'au moins l'une des deux peaux du panneau sandwich à réparer. 6 - Procédé de réparation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couches de plis (16) sont drapées directement sur le moule (10) de l'âme (14) de remplacement.
7 - Procédé de réparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de remplacement est fixée par éclissage mécanique sur le panneau à réparer.
8 - Procédé de réparation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il réalise la fixation de la pièce de remplacement (18) dans l'ouverture du panneau (6), par la dépose de plis de recouvrement (20) sur les deux faces du panneau.
9 - Panneau sandwich en matériaux composites comportant une âme (2) recevant une peau (4) sur chaque face, ce panneau ayant reçu une pièce de remplacement (18) ajustée dans une ouverture (6) pour effectuer une réparation, caractérisé en ce que le procédé de réparation est réalisé suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
10 -Nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef, comprenant des panneaux sandwich en matériaux composites comportant une âme (2) recevant une peau (4) sur chaque face, ce panneau ayant reçu une pièce de remplacement (18) ajustée dans une ouverture (6) pour effectuer une réparation, caractérisé en ce que le procédé de réparation est réalisé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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