WO2020128181A1 - Procede de conformation et/ou de mise en forme d'une piece en materiau composite - Google Patents

Procede de conformation et/ou de mise en forme d'une piece en materiau composite Download PDF

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Philippe Marolle
Benoît Bazin
Thierry CHAUVIN
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran SA
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    • B29C2035/0211—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould resistance heating

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing parts made of composite material comprising fibers such as carbon fibers embedded in a matrix, including a step of molding and heating to form the part while polymerizing it.
  • the manufacture typically consists in preparing a preform of fibrous material, for example from a braid or a fabric of carbon fibers, and in installing this preform in a tool comprising a two-part mold.
  • thermosetting matrix can be present beforehand in the preform if materials called pre-impregnated are used or added thereafter. In both cases, the polymerization is ensured by heating the mold to a temperature and for a predetermined duration.
  • One solution consists in modifying in advance the mold cavity by providing a counter-deformation therein, in order to obtain a mold which does not conform to the desired geometry but which makes it possible to manufacture a geometrically conforming part.
  • Another possibility consists in providing an additional so-called conformation treatment, consisting in mechanically constraining the part while heating it up to the glass transition temperature of its matrix, so as for example to "straighten” it in order to bring it back into the geometric tolerances required.
  • such a so-called hot shaping treatment is implemented with another dedicated heating mold, or with other means making it possible to mechanically constrain the part while heating it.
  • the subject of the invention is a method of shaping a part made of thermosetting composite material, comprising a deformation operation including the steps of:
  • - Form a stack comprising consecutively along a main direction: a first imprint; a first chassis carrying movable elements oriented in the main direction; a first heating mat; the composite material part; a second heating mat; a second chassis with movable elements; a second imprint; - electrically supply the heating mats to preheat the room at a given temperature and for a given period;
  • the impressions do not have to integrate a heating system and can be made of a material having a relatively low temperature resistance in comparison with the molding parts used for injection and polymerization. These impressions can thus easily be manufactured at low cost, which makes the process very easily adaptable to different parts.
  • the invention also relates to a process thus defined, successively comprising several deformation operations implemented successively with several pairs of different imprints.
  • the invention also relates to a process thus defined, in which the first and / or the second imprint has an active face obtained by additive manufacturing.
  • the invention also relates to a process thus defined, in which the cavities and the frames with movable elements are stacked while being engaged in sliding on at least one support column oriented in the main direction.
  • the invention also relates to a process thus defined, in which the piece of composite material is rigidly secured to at least one extension by which it is slidably engaged on at least one support column.
  • the invention also relates to a method thus defined, in which the heating mats are elastomeric mats incorporating electrical resistances.
  • the invention also relates to a process thus defined, in which the stack is compressed by means of a press.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a shaping installation according to the invention before putting into service
  • FIG. 2 is a schematic side view of a shaping installation according to the invention during operation
  • FIG. 3 is a top view of a first example heating mat for an installation according to the invention.
  • FIG. 4 is a top view of a second example of a heating mat for an installation according to the invention.
  • FIG. 1 an installation 1 of conformation according to the invention is mounted in a hydraulic press not shown.
  • It comprises a stack of elements arranged one above the other which are carried by two support columns 2 and 3 oriented in a main direction AX in order to be able to slide each freely along these columns 2 and 3.
  • FIGS. 1 and 2 These elements include, from bottom to top in FIGS. 1 and 2, a first impression 4, a first chassis with movable nails 6, a first heating mat 7, a piece of composite material 8 to be conformed, a second heating mat 9, a second chassis with movable nails 11, and a second cavity 12.
  • the first imprint 4 has an active face or matrix 14 whose shape corresponds to the negative shape of a first face 16 of the part 8, towards which it is turned.
  • This first impression 4 has its ends extended by bases each having a sliding bearing, by which it is engaged on the columns 2 and 3 and maintained by the latter.
  • the second imprint 12 also has an active face 17 having the negative shape of a second face 18 of the part 8, opposite its face 16, and towards which this active face 17 is turned.
  • This second imprint 12 also has its ends extended by bases provided with sliding bearings each receiving one of the columns 2 and 3.
  • the first movable nail frame 6 comprises a frame 19 extended at its ends by two bases each integrating a sliding bearing each receiving one of the columns 2, 3 by which it is held.
  • the frame 19 is a generally planar structure, and comprising a multitude of guide holes oriented parallel to the direction of columns 2 and 3, and each receiving a movable nail. It has a sufficient thickness to guide each nail so as to maintain its orientation parallel to the direction of columns 2 and 3, while leaving it free to translate relative to the frame parallel to this direction.
  • the principle of the invention is to print on part 8 the shapes of the faces 14 and 17 forming dies by means of stud frames 6 and 11 while heating this part by means of the belts 7 and 9 each interposed between the piece 8 and one of these frames.
  • the installation is first configured according to Figure 1, before electrically supplying the heating mats 7 and 9 and controlling the hydraulic press to bring the first footprint 4 closer to the second footprint 12 , for example by lowering this first imprint 4.
  • the active faces 14 and 17 have shapes integrating counter-deformations ensuring that if the part 8 is deformed to adopt the shapes of these active faces during the shaping cycle, it will take after the shaping cycle, that is to say say after release of its internal mechanical constraints, the desired geometric shape within the desired tolerances.
  • the cavities 4 and 12 when they are brought together during the shaping cycle, they press respectively on the first face 16 and on the second face 18 of the part 8, via the stud frame 6 and 11 and the belts 7 and 9 to mechanically force this part to adopt the desired shape, as illustrated diagrammatically in FIG. 2.
  • the pressing forces pass through the heating belts which then also have a role of pressure homogenizer avoiding local damage to the part to be conformed.
  • the frame with nails 6 and 11 are positioned spontaneously, independently of each other between the part and the frame which carry them, so that they allow the part 8 to be spaced from the impressions 4 and 12 which enclose them while ensuring that the piece takes the form of these prints.
  • these nails ensure the application of this deformation at all points of the part to be conformed.
  • the power supply to the heating mats is then stopped, and once the part 8 has sufficiently cooled, the press is controlled to separate the imprints 4 and 12 from the part 8.
  • the installation is then dismantled in order to be able to remove this part 8 , which then takes the rectified form.
  • the heating mats are flexible elements, made of elastomeric material such as silicone, capable of withstanding temperatures up to 230 °, which incorporate electrical resistances over their entire surface.
  • Each mat 7, 9 incorporates an electrical connector 22 located at its periphery, and to which power cables 23 are connected.
  • Such mats can have any suitable shape, such as for example the rectangular shape of the example of FIG. 3, or the round shape illustrated in Figure 4.
  • the example which has just been described relates to a deformation operation to ensure the geometrical conformation of a part which would, for example, have left the molding and polymerization stage with a geometry outside tolerances, which then makes it possible to recover this piece instead of rejecting it.
  • this conformation is advantageously carried out by several successive deformation operations, with several pairs of imprints whose active faces have increasingly accentuated shapes.
  • the invention also applies to the production in series of families of similar parts having for example three final shapes, which are different but close.
  • the molding and polymerization step is planned and arranged to manufacture all identical blanks from the same mold, the geometry of which corresponds to a shape which is an average of the three different shapes to be produced.
  • the raw parts are then shaped in the installation, each with the pair of imprints corresponding to the final shape to be obtained.
  • the invention then makes it possible to produce several parts of different but close shapes, using a single tool for molding and polymerization.
  • the invention makes it possible to implement shape take-up operations, but also shaping operations directly integrated at the end of the manufacturing cycle to obtain several final shapes from the same raw shape after molding. .
  • impressions which are used advantageously come from additive manufacturing, which allows greater freedom to quickly adapt the process to several shapes of parts to be shaped.
  • the frames carry movable elements which are nails, but these movable elements can also be slave actuators.

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Abstract

Un procédé de conformation d'une pièce en matériau composite thermodurcissable, comprenant les étapes de : • fournir et empiler successivement: une première empreinte (4); un premier châssis à clous mobiles (6); un premier tapis chauffant (7); une pièce en matériau composite (8); un second tapis chauffant (9); un second châssis à clous mobiles (11); une seconde empreinte (12). • alimenter électriquement les tapis chauffants (7, 9) pour préchauffer la pièce (8) à une température et pendant une durée données; • presser l'empilement à une pression prédéterminée en maintenant l'alimentation électrique des tapis chauffants (7, 9); • relâcher la pression de l'empilement.

Description

DESCRIPTION
Titre : Procédé de conformation et/ou de mise en forme d'une pièce en matériau
composite
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces en matériau composite comportant des fibres telles que des fibres de carbone noyées dans une matrice, incluant une étape de moulage et de chauffage pour former la pièce tout en la polymérisant.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Avec un tel procédé, la fabrication consiste typiquement à préparer une préforme en matériau fibreux, par exemple à partir d'une tresse ou d'un tissu de fibres de carbone, et à installer cette préforme dans un outillage comprenant un moule en deux parties.
La matrice thermodurcissable peut être préalablement présente dans la préforme en cas d'utilisation de matériaux dits pré-imprégnés ou ajoutée ensuite. Dans les deux cas, la polymérisation est assurée par le chauffage du moule à une température et pendant une durée prédéterminées.
En pratique, il est courant que la géométrie de la pièce obtenue soit hors tolérances, alors que le moule est conforme à la géométrie recherchée. Ce type de défaut résulte par exemple de contraintes internes s'établissant dans la pièce lors de la polymérisation. Ceci peut être dû à des historiques de températures différents selon les zones de la pièce et/ou à une dissymétrie de l'empilement des renforts dans l'épaisseur de la préforme. Cette situation est accentuée par le fait que les géométries des pièces à produire sont de plus en plus complexes, et que leurs tolérances géométriques sont de plus en plus serrées.
Une solution consiste à modifier par anticipation la cavité du moule en y prévoyant une contre déformation, pour obtenir un moule non conforme à la géométrie recherchée mais permettant de fabriquer une pièce géométriquement conforme.
Néanmoins, comme le moule est complexe et coûteux et ne peut pas nécessairement être modifié, il faut souvent construire un autre moule, en misant que la contre déformation prévue permette effectivement de tenir les tolérances géométriques souhaitées. Comme on le comprend on est ainsi conduit à concevoir le moule approprié par essais et erreurs successifs, ce qui induit des coûts et des délais de développement et de fabrication élevés.
Une autre possibilité consiste à prévoir un traitement supplémentaire dit de conformation, consistant à contraindre mécaniquement la pièce tout en la réchauffant jusqu'à la température de transition vitreuse de sa matrice, de manière à par exemple la « redresser » afin de la ramener dans les tolérances géométriques requises.
Selon la situation, un tel traitement dit de conformation à chaud est mis en œuvre avec un autre moule chauffant dédié, ou avec d'autres moyens permettant de contraindre mécaniquement la pièce tout en la chauffant.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de conformation d'une pièce en matériau composite thermodurcissable, comprenant une opération de déformation incluant les étapes de :
- former un empilement comportant consécutivement le long d'une direction principale : une première empreinte ; un premier châssis portant des éléments mobiles orientés selon la direction principale ; un premier tapis chauffant ; la pièce en matériau composite ; un second tapis chauffant ; un second châssis à éléments mobiles ; une seconde empreinte ; - alimenter électriquement les tapis chauffants pour préchauffer la pièce à une température et pendant une durée données ;
- compresser l'empilement selon la direction principale à une pression prédéterminée en maintenant l'alimentation électrique des tapis chauffants ;
- relâcher la pression de compression.
Avec ce procédé, les empreintes n'ont pas à intégrer de système de chauffage et peuvent être fabriquées dans un matériau ayant une tenue en température relativement faible en comparaison avec les pièces de moulage utilisées pour l'injection et la polymérisation. Ces empreintes peuvent ainsi facilement être fabriquées pour un faible coût, ce qui rend le procédé très facilement adaptable à différentes pièces.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, comportant successivement plusieurs opérations de déformation mises en œuvres successivement avec plusieurs paires d'empreintes différentes.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la première et/ou la seconde empreinte comporte une face active obtenue par fabrication additive.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel les empreintes et les châssis à éléments mobiles sont empilés en étant engagés à coulissement sur au moins une colonne support orientée selon la direction principale.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la pièce en matériau composite est rigidement solidarisée à au moins une extension par laquelle elle est engagée à coulissement sur au moins une colonne support.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel les tapis chauffants sont des tapis élastomère intégrant des résistances électriques.
L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'empilement est compressé au moyen d'une presse. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[Fig. 1] est une vue latérale schématique d'une installation de conformation selon l'invention avant mise en service ;
[Fig. 2] est une vue latérale schématique d'une installation de conformation selon l'invention en cours d'exploitation ;
[Fig. 3] est une vue de dessus d'un premier exemple tapis de chauffage pour une installation selon l'invention ;
[Fig. 4] est une vue de dessus d'un second exemple de tapis de chauffage pour une installation selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la figure 1, une installation 1 de conformation selon l'invention est montée dans une presse hydraulique non représentée.
Elle comporte un empilement d'éléments agencés les uns au-dessus des autres qui sont portés par deux colonnes support 2 et 3 orientées selon une direction principale AX pour pouvoir coulisser chacun librement le long de ces colonnes 2 et 3.
Ces éléments comprennent, de bas en haut sur les figures 1 et 2, une première empreinte 4, un premier châssis à clous mobiles 6, un premier tapis chauffant 7, une pièce en matériau composite 8 à conformer, un second tapis chauffant 9, un second châssis à clous mobiles 11, et une seconde empreinte 12.
Comme visible sur la figure 1, la première empreinte 4 comporte une face active ou matrice 14 dont la forme correspond à la forme négative d'une première face 16 de la pièce 8, vers laquelle elle est tournée. Cette première empreinte 4 a ses extrémités prolongées par des embases comportant chacune un palier glissant, par lesquels elle est engagée sur les colonnes 2 et 3 et maintenue par celles-ci.
De manière analogue, la seconde empreinte 12 comporte elle aussi une face active 17 ayant en négatif la forme d'une seconde face 18 de la pièce 8, opposée à sa face 16, et vers laquelle cette face active 17 est tournée. Cette seconde empreinte 12 a elle aussi ses extrémités prolongées par des embases pourvues de paliers glissants recevant chacun l'une des colonnes 2 et 3.
Le premier châssis à clous mobiles 6 comporte une armature 19 prolongée à ses extrémités par deux embases intégrant chacune un palier glissa nt recevant chacun l'une des colonnes 2, 3 par lesquelles il est maintenu. L'armature 19 est une structure généralement plane, et comportant une multitude de trous de guidage orientés parallèlement à la direction des colonnes 2 et 3, et recevant chacun un clou mobile. Elle présente une épaisseur suffisante pour guider chaque clou de façon à maintenir son orientation parallèle à la direction des colonnes 2 et 3, tout en le laissant libre de se translater par rapport à l'armature parallèlement à cette direction.
Ces clous sont repérés par 21 sur les figures, où ils comportent chacun une tête à chacune de leurs extrémités, chaque tête formant arrêtoir de façon à assurer qu'ils ne s'échappent pas de l'armature qui les porte.
Le principe de l'invention est d'imprimer à la pièce 8 les formes des faces 14 et 17 formant matrices par l'intermédiaire des châssis à clous 6 et 11 tout en chauffant cette pièce au moyen des tapis 7 et 9 interposés chacun entre la pièce 8 et l'un de ces châssis.
Ainsi, lors de la mise en service, l'installation est d'abord configuré selon la figure 1, avant d'alimenter électriquement les tapis chauffants 7 et 9 et de commander la presse hydraulique pour rapprocher la première empreinte 4 de la seconde empreinte 12, par exemple en abaissant cette première empreinte 4.
Les faces actives 14 et 17 ont des formes intégrant des contre- déformations assurant que si la pièce 8 est déformée pour adopter les formes de ces faces actives durant le cycle de conformation, elle prendra après le cycle de conformation, c'est- à-dire après libération de ses contraintes mécaniques internes, la forme géométrique souhaitée dans les tolérances voulues.
Ainsi, lorsque les empreintes 4 et 12 sont rapprochées durant le cycle de conformation, elles appuient respectivement sur la première face 16 et sur la seconde face 18 de la pièce 8, par l'intermédiaire des châssis à clous 6 et 11 et des tapis 7 et 9 pour contraindre mécaniquement cette pièce à adopter la forme voulue, comme illustré schématiquement sur la figure 2. Les efforts presseurs transitent par les tapis chauffants qui ont alors aussi un rôle d'homogénéisateur de pression évitant un endommagement local de la pièce à conformer.
Les châssis à clous 6 et 11 se positionnent spontanément, indépendamment les uns des autres entre la pièce et le châssis qui les portent, de sorte qu'ils permettent d'espacer la pièce 8 des empreintes 4 et 12 qui les enserrent tout en assurant que la pièce adopte la forme de ces empreintes. Lorsque la conformation de la pièce implique une déformation géométrique importante durant le cycle, ces clous assurent l'application de cette déformation en tous points de la pièce à conformer.
Une fois que le cycle de conformation est terminé, c'est-à-dire une fois que la pièce a atteint la température de transition vitreuse en étant contrainte par la presse, pendant la durée déterminée, le cycle est arrêté.
L'alimentation électrique des tapis chauffants est alors arrêtée, et une fois que la pièce 8 a suffisamment refroidi, la presse est commandée pour écarter les empreintes 4 et 12 de la pièce 8. L'installation est ensuite démontée pour pouvoir retirer cette pièce 8, qui prend alors la forme rectifiée.
Comme représenté schématiquement sur la figure 3, les tapis chauffants sont des éléments souples, en matériau élastomère tel que du silicone, pouvant supporter des températures allant jusqu'à 230°, qui intègrent des résistances électriques sur toute leur surface. Chaque tapis 7, 9 intègre un connecteur électrique 22 situé à sa périphérie, et auquel se branchent des câbles d'alimentation 23. De tels tapis peuvent avoir toute forme appropriée, comme par exemple la forme rectangulaire de l'exemple de la figure 3, ou la forme ronde illustrée sur la figure 4.
L'exemple qui vient d'être décrit concerne une opération de déformation pour assurer la conformation géométrique d'une pièce qui serait par exemple sortie de l'étape de moulage et de polymérisation avec une géométrie hors tolérances, ce qui permet alors de récupérer cette pièce au lieu de la rebuter. Lorsque la conformation de la pièce nécessite de modifier sa géométrie de manière importante, cette conformation est avantageusement réalisée par plusieurs opération de déformation successives, avec plusieurs paires d'empreintes dont les faces actives ont des formes de plus en plus accentuées.
Par ailleurs, l'invention s'applique aussi à la fabrication en séries de familles de pièces semblables ayant par exemple trois formes finales, qui sont différentes mais proches. Dans ce cas, l'étape de moulage et de polymérisation est prévue et agencée pour fabriquer des pièces brutes toutes identiques à partir d'un même moule, dont la géométrie correspond à une forme qui est une moyenne des trois formes différentes à produire.
On prévoit alors trois opérations de conformation différentes, c'est-à-dire trois paires d'empreintes 4 et 12, chaque paire étant conçue et dédiée à l'une des trois formes finales devant être obtenue.
Les pièces brutes sont alors conformées dans l'installation, chacune avec la paire d'empreintes correspondant à la forme finale à obtenir. Autrement dit, l'invention permet alors de produire plusieurs pièces de formes différentes mais proches, en utilisant un seul et même outillage de moulage et de polymérisation.
Ainsi, l'invention permet de mettre en œuvre des opérations de rattrapage de forme, mais également des opérations de mise en forme directement intégrées à la fin du cycle de fabrication pour obtenir plusieurs formes finales à partir d'une même forme brute issue de moulage.
Les empreintes qui sont utilisées sont avantageusement issues de fabrication additive, ce qui permet de disposer d'une plus grande liberté pour adapter rapidement le procédé à plusieurs formes de pièces devant être conformées.
Dans l'exemple qui a été décrit en relation avec les figures, les châssis portent des éléments mobiles qui sont des clous, mais ces éléments mobiles peuvent également être des vérins asservis.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de conformation d'une pièce en matériau composite thermodurcissable (8), comprenant une opération de déformation incluant les étapes de :
- former un empilement comportant consécutivement le long d'une direction principale (AX) : une première empreinte (4) ; un premier châssis portant des éléments mobiles (6) orientés selon la direction principale ; un premier tapis chauffant (7) ; la pièce en matériau composite (8) ; un second tapis chauffant (9) ; un second châssis à éléments mobiles (11) ; une seconde empreinte (12).
- alimenter électriquement les tapis chauffants (7, 9) pour préchauffer la pièce (8) à une température et pendant une durée données ;
- compresser l'empilement selon la direction principale (AX) à une pression prédéterminée en maintenant l'alimentation électrique des tapis chauffants (7, 9) ;
- relâcher la pression de compression.
2. Procédé selon la revendication 1, comportant successivement plusieurs opérations de déformation mises en œuvres successivement avec plusieurs paires d'empreintes (4, 12) différentes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première et/ou la seconde empreinte (4, 12) comporte une face active (14, 17) obtenue par fabrication additive.
4. Procédé selon la revendication 1 à 3, dans lequel les empreintes (4, 12) et les châssis à éléments mobiles (6, 11) sont empilés en étant engagés à coulissement sur au moins une colonne support (2, 3) orientée selon la direction principale (AX).
5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la pièce en matériau composite (8) est rigidement solidarisée à au moins une extension par laquelle elle est engagée à coulissement sur au moins une colonne support (2, 3).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les tapis chauffants (7, 9) sont des tapis en matériau élastomère intégrant des résistances électriques.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'empilement est compressé au moyen d'une presse.
PCT/FR2019/052846 2018-12-19 2019-11-29 Procede de conformation et/ou de mise en forme d'une piece en materiau composite Ceased WO2020128181A1 (fr)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20030227107A1 (en) * 1999-03-18 2003-12-11 Stewart David H. Method and machine for manufacturing molded structures using zoned pressure molding
WO2006107194A1 (fr) * 2005-04-05 2006-10-12 Hijlkema Bernardus Ludgerus Lu Procede et dispositif pour fabriquer un moule et procede et dispositif destine a la fabrication d'un produit au moyen du moule

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