WO2023089264A1

WO2023089264A1 - Procede de fabrication d'une aube composite pour un moteur d'aeronef

Info

Publication number: WO2023089264A1
Application number: PCT/FR2022/052089
Authority: WO
Inventors: Maxime Marie Désiré BLAISE; Pierre-Antoine Bossan; Nicolas DROZ; Nicolas QUAGLIA; Christophe Ravey
Original assignee: Safran
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2023-05-25
Also published as: FR3129102A1

Abstract

ABREGE Procédé de fabrication d'une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d'aéronef, comprenant les étapes consistant à : a) disposer une préforme (24) réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule (30), une colle (26) polymérisable étant intercalée entre un bouclier et un bord de la préforme, b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule, caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant des montées en température, de T1 à T2, puis de T2 à T3, et en ce que l'injection de résine intervient à l'étape b) pendant ou juste avant la montée en température de T2 à T3, la température T2 étant choisie pour que la viscosité de la colle soit très supérieure à la viscosité de la résine. Figure pour l'abrégé : Figure 4

Description

DESCRIPTION

TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE AUBE COMPOSITE POUR UN MOTEUR D’AERONEF

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine d’aéronef.

Arrière-plan technique

L’état de la technique comprend notamment les documents FR-A1 -2 956 057, FR-A1 -3 029 134, FR-A1 -3 051 386, US-A1 -2021/324747 et FR-A1 -3 081 758.

L’utilisation de matériaux composites est avantageuse dans l’industrie aéronautique notamment car ces matériaux ont des performances mécaniques intéressantes pour des masses relativement faibles.

Un procédé de fabrication d’une pièce composite pour l’industrie aéronautique, qui est bien connu de l’homme du métier, est le procédé de moulage RTM dont les initiales font référence à l’acronyme anglo-saxon de Resin Transfer Molding.

Il s’agit d’un procédé de réalisation d’une pièce en matériau composite à base de fibres imprégnées de résine. Un tel procédé est par exemple utilisé pour fabriquer une aube de soufflante et comporte plusieurs étapes successives.

On commence par réaliser le tissage de fibres pour obtenir une ébauche de préforme en trois dimensions, puis on découpe l’ébauche pour obtenir une préforme présentant sensiblement la forme de l’aube à obtenir. Cette préforme est alors disposée dans un moule d'injection, qui est refermé. Puis on injecte de la résine à l'état liquide en maintenant une pression sur la résine injectée pendant que l’on effectue la polymérisation de la pièce par chauffage.

Les résines utilisées sont des résines très fluides qui sont à même de bien pénétrer les fibres de la préforme, même lorsqu'elles sont injectées sous une pression réduite. Pendant la polymérisation, sous l'effet de la chaleur, la résine injectée passe successivement de l'état liquide à l'état gélifié et enfin à l'état solide.

Pour la fabrication d’une aube, par exemple de soufflante de turbomachine, une préforme est réalisée par tissage puis est imprégnée avec la résine afin de former une pale. Cette pale comporte un intrados et un extrados qui s’étendent depuis un bord d’attaque jusqu’à un bord de fuite de la pale.

Le matériau composite de la pale est relativement fragile, et en particulier sensible aux chocs, et il est connu de le protéger au moyen d’un bouclier métallique qui est rapporté et fixé sur le bord d’attaque de la pale.

Le bouclier peut être fixé à la pale de plusieurs façons. Une première façon consiste à coller le bouclier sur la pale, après polymérisation de la résine. La colle se présente alors sous forme d’une pâte ou d’un film.

Dans la technique actuelle, l’appairage des boucliers sur les bords des aubes est une étape clé et contraignante de la gamme de fabrication. En effet, les boucliers sont des pièces très complexes et peuvent varier de l’un à l’autre en fonction des fabricants et des tolérances de fabrication et peuvent ainsi avoir des particularités géométriques différentes.

Il est donc nécessaire, avant d’appairer et de coller un bouclier sur le bord d’une aube, de s’assurer que les dimensions et formes du bouclier sont bien conformes à celles de l’aube de façon à optimiser la surface de collage et donc la santé matière de la pièce une fois collée (épaisseur de colle, taux de porosité, etc.).

S’affranchir de l’étape de collage et l’intégrer directement à l’étape d’injection permet donc de conformer directement la géométrie de l’interface de collage à la géométrie du bord de l’aube en tout point et donc de supprimer l’étape de recherche du couple optimum bouclier / bord de l’aube. Ceci permet également d’éviter toute opération de préparation de surface de l’aube avant collage. Enfin, cela permet de s’affranchir de passage supplémentaire dans un équipement de traitement thermique (four, autoclave, etc.).

On a déjà proposé une autre façon de fixer un bouclier sur une pale, qui consiste à fixer le bouclier par co-moulage avec la préforme fibreuse. De la colle est disposée entre le bouclier et la préforme et l’ensemble est disposé dans le moule. La résine injectée imprègne la préforme et une étape de cuisson permet de d’assurer la polymérisation et le durcissement de la colle et de la résine.

Cependant, cette façon de faire génère des problèmes techniques qui sont de

1 . assurer un collage optimal du bouclier par la colle en ayant en même temps l’injection et la polymérisation de la résine ; pour cela, il faut entre autres : (i) polymériser la colle dans une gamme de temps/température permettant d’avoir la bonne pégosité/viscosité et le minimum d’avancement du taux de polymérisation de la colle, (ii) que la température de traitement thermique de la colle soit dans la gamme préconisée (au-dessus de sa température de transition vitreuse, Tg), et (iii) polymériser la colle et injecter la résine dans un environnement de production et non seulement en laboratoire ;

2. assurer une bonne santé matière de la résine et de la colle (porosité, Tg, taux d’avancement de la résine, résistance mécanique de la colle) assurant les propriétés mécaniques du composite ; pour cela, il faut : (i) définir un cycle de cuisson de la résine compatible du cycle de polymérisation de la colle, et (ii) pouvoir mettre sous pression le moule avec un taux d’avancement de la résine et de la colle le plus faible possible pour éviter les porosités d’origine chimique ; et

3. maîtriser la profondeur de diffusion de la colle dans la préforme ; pour cela, il faut définir un cycle d’injection de la résine dans une gamme de temps/température permettant à la résine de ne pas altérer et de ne pas déplacer par fluage la colle ou ne pas se mélanger à la colle de manière incontrôlée.

La présente invention propose un perfectionnement à l’autre façon évoquée plus haut pour fabriquer une aube composite en apportant une solution à au moins une partie des problèmes évoqués ci-dessus.

Résumé de l'invention

L’invention propose un procédé de fabrication d’une aube en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale comportant un intrados et un extrados qui s’étendent depuis un bord d’attaque jusqu’à un bord de fuite de la pale, l’aube comportant en outre un bouclier métallique s’étendant le long du bord d’attaque de la pale, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) disposer une préforme réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule, le bouclier étant positionné sur un bord de la préforme destiné à former le bord d’attaque de la pale, et une colle polymérisable étant intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme, b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule afin qu’elle imprègne la préforme de façon à former la pale après solidification, caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant :

- une première montée en température depuis une température T1 jusqu’à une température T2,

- éventuellement un premier palier de maintien en température T2 pendant une durée prédéterminée,

■■ une seconde montée en température depuis la température T2 jusqu’à une température T3, et

■ un second palier de maintien en température T3 pendant une durée prédéterminée, et en ce que :

- l’injection de résine intervient à l’étape b) pendant la seconde montée en température, ou juste avant cette seconde montée en température, et la température T2 est choisie pour que Vc > K.Vr à cette température, Vc étant la viscosité de la colle, Vr étant la viscosité de la résine, et K étant un facteur supérieur ou égal à 100.

L’invention propose ainsi d’assurer la fixation du bouclier sur la pale par comoulage et par une colle. La colle est intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme et peut être déposée sur le bouclier ou directement sur le bord de l’aube, avant application du bouclier sur ce bord. La colle est destinée à améliorer et maintenir la position du bouclier sur le bord de la préforme, et pour améliorer également la tenue et la résistance à l’arrachement du bouclier vis- à-vis de la pale. On comprend donc que, lors de l’injection de résine dans le moule de fabrication de la pale, cette résine va imprégner la préforme et va également venir au contact de la colle voire également du bouclier, assurant ainsi une fixation optimale du bouclier sur l’aube.

L’invention propose un cycle particulier de chauffage du moule qui répond à au moins une partie des problèmes techniques évoqués dans ce qui précède. Une des particularités de ce cycle est qu’il comprend des montées successives en température et au moins un palier. Le premier palier est en effet optionnel. En l’absence de ce premier palier, on comprend alors que l’injection de résine est réalisée lorsque le moule est à la température T2, qu’il y ait ou non un premier palier à cette température, ou lorsque le moule est à une température comprise entre T2 et T3.

L’injection de la résine à l’étape b) intervient (pendant ou juste avant la seconde montée en température) à une température qui peut être relativement basse (par rapport à la température de polymérisation ou de transition vitreuse de la colle) afin que la colle ne polymérise pas avant que l’injection de la résine ne commence. D’autre part, plus la température du moule est basse, plus le délai avant de lancer l’injection peut être long et permet donc beaucoup plus de flexibilité en production.

Un des objectifs de l’invention est d’injecter la résine au moment le plus adéquat pendant ce cycle, et en particulier lorsque le moule est à une température (supérieure ou égale à T2) à laquelle les viscosités de la résine et de la colle sont très différentes. A cette température, la viscosité de la colle est très supérieure à celle de la résine. La résine injectée dans le moule et qui vient au contact de la colle ne risque donc pas de se mélanger avec elle et de la déplacer. Ceci permet de garder deux phases distinctes (de la résine et de la colle, respectivement) bien définies, d’épaisseur contrôlée et répétable durant l’injection de la résine. A l’interface entre la résine et la colle, un mélange de ces matériaux peut toutefois intervenir et former une interphase. La température de la résine influe sur sa viscosité et est adaptée pour que la résine puisse imprégner l’ensemble de la préforme avant la poursuite du cycle de chauffage.

Le cycle de chauffage définit ainsi un compromis prenant en compte les contraintes de chaque espèce chimique impliqué dans le bon collage d’un bouclier sur le bord d’une aube. Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

-- l’injection de résine intervient à la fin du palier à la température T2 ;

- T2 est comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 80 et 120°C, et plus préférentiellement entre 90 et 110°C ;

- la première montée en température est de préférence choisie pour ne pas altérer les propriétés de la colle, et est par exemple comprise entre 1 et 10°C par minute, de préférence entre 1 et 5°C par minute, et plus préférentiellement entre 2 et 3°C par minute ; ce choix peut être fait en fonction des spécificités de la colle détaillées dans la fiche technique fournie par le fournisseur de la colle ;

- la température T1 est une température ambiante ;

- l’injection commence au début de la seconde montée en température ;

- l’injection commence après le début de la seconde montée en température ; ce qui constitue donc une variante ; deux cycles de chauffage sont ainsi proposés ;

- K est supérieur ou égal à 300 ; il est par exemple compris entre 300 et 1500 ;

- la durée du premier palier est comprise entre 30 minutes et 2 heures ; cette durée peut être choisie pour s’assurer que le moule a bien une température homogène ;

- la résine est préchauffée à une température Tr avant son injection à l’étape b) ; le préchauffage de la résine peut avoir un double intérêt ; le préchauffage de la résine, par exemple dans un cylindre d’injection, à une température comprise 100°C et 130°C, permet de baisser la viscosité de la résine et donc de permettre son injection ; le préchauffage de la résine, par exemple dans un élément chauffant (typiquement un préchauffeur externe, mais peut être effectué par un entrefer dans le moule), à une température supérieure à 160°C, permet de faire fondre un durcisseur et d’activer ce dernier ; en effet,, la résine comprend un durcisseur qui doit être dissout par chauffage dans la résine avant son injection dans le moule ;; la dissolution du durcisseur dans le moule après injection de la résine pourrait ne pas être complète si elle était obtenue par simple chauffage de la résine à travers le moule ; - la température Tr est supérieure à la température T2, et est par exemple supérieure ou égale à 100°C, de préférence supérieure ou égale à 130°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C ;

- T3 est supérieure ou égale à 140°C, de préférence supérieure ou égale à 150°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C ;

- la durée du second palier est comprise entre 10 minutes et 1 heure, de préférence entre 20 et 40 minutes, et plus préférentiellement de 30 minutes ; cette valeur peut dépendre de l’application envisagée pour l’aube et notamment des effets de masse dus à la forme (épaisseur) de l’aube ; ce palier peut être considéré comme un palier de maintien en pression car la résine peut continuer à être injectée à une certaine pression pour maintenir la préforme injectée de résine sous une pression donnée nécessaire pour éviter l’apparition de bulles et donc de porosité dans l’aube composite ;

- le cycle comprend en outre :

■■ une troisième montée en température depuis la température T3 jusqu’à une température T4, et

■ un troisième palier de maintien en température T4 pendant une durée prédéterminée ;

- la température T4 est supérieure aux températures de transition vitreuse de la résine et de la colle, et est par exemple supérieure ou égale à 160°C, de préférence supérieure ou égale à 170°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 180°C ;

- la durée du troisième palier est comprise entre 1 heure et 3 heures, et de préférence entre 1 h30 et 2h30 ; ce palier peut être considéré comme un palier de polymérisation ou de cuisson de l’aube ;

- le bouclier ou un autre bouclier s’étend le long du bord de fuite de la pale, et/ou le long d’un sommet de la pale ;

- l’aube est un OGV, acronyme de l’anglais Outer Guide Varie, c’est-à-dire une aube de guidage de stator.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig.1] la figure 1 est une vue schématique en perspective d’une aube composite de turbomachine d’aéronef,

[Fig.2] la figure 2 est un schéma bloc montrant des étapes d’un procédé selon l’invention de fabrication d’une aube telle que celle représentée à la figure 1 , [Fig.3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d’un moule dans lequel sont destinés à être disposés une préforme et un bouclier, et dans lequel est destinée à être injectée une résine,

[Fig.4] la figure 4 est un graphe représentant un cycle de chauffage d’un moule de fabrication d’une aube selon la figure 1 , et illustre deux variantes de réalisation de l’invention,

[Fig.5] la figure 5 est un graphe représentant l’évolution de la viscosité d’une résine polymérisable en fonction de la durée et de la température de chauffage de cette résine.

Description détaillée de l'invention

On se réfère d’abord à la figure 1 qui illustre une aube 10 en matériau composite pour une turbomachine, cette aube 10 étant par exemple une aube de soufflante ou de redresseur d’un flux secondaire dans le cas d’un turboréacteur à double flux.

L’aube 10 comprend une pale 12 reliée par une échasse 14 à un pied 16 qui a par exemple une forme en queue d’aronde et est conformé pour être engagé dans une alvéole de forme complémentaire d’un disque de rotor, afin de retenir l’aube sur ce disque.

La pale 12 comprend un bord d’attaque 12a et un bord de fuite 12b des gaz qui s’écoulent dans la turbomachine. La pale 12 a un profil aérodynamique incurvé voire vrillé et comprend un intrados 18 et un extrados 20 s’étendant entre les bords d’attaque 12a et de fuite 12b.

La pale 12 est réalisée à partir d’une préforme fibreuse obtenue par tissage en trois dimensions de fibres, par exemple en carbone. Le bord d’attaque 12a de la pale est renforcé et protégé par un bouclier métallique 22 qui est fixé sur ce bord d’attaque 12a. Ce bouclier ou un autre bouclier pourrait s’étendre le long du bord de fuite de la pale et/ou le long du sommet de la pale. Le bouclier 22 est par exemple en alliage à base de nickel et cobalt, en titane, en inox, etc.

Dans la présente invention, cette fixation est réalisée d’une part par comoulage de la préforme avec le bouclier 22, et d’autre part par collage du bouclier 22 au moyen d’une colle 26.

La figure 2 est un organigramme qui illustre des étapes d’un procédé de fabrication d’une aube composite 10 telle que celle représentée à la figure 1.

Le procédé peut comprendre plusieurs étapes dont certaines sont facultatives. La première étape a) du procédé comprend la réalisation d’une préforme fibreuse par tissage de fibres, de préférence en trois dimensions grâce à une machine de tissage du type Jacquard par exemple. La préforme obtenue est brute et peut subir des opérations telles qu’une découpe ou une compression par exemple.

La première étape a) comprend également le dépôt de colle entre le bouclier 22 et le bord de la préforme 24 puis la disposition de l’ensemble ainsi obtenu dans un moule 30 de fabrication de l’aube, qui est représenté à la figure 3. La colle 26 peut être appliquée à l’aide d’un pinceau ou par l’intermédiaire d’un spray par exemple. En variante, elle peut se présenter sous la forme d’une patte. De manière préférée, la colle se présente sous la forme d’un film adhésif (tel qu’un tissu préimprégné par exemple) qui est découpé à la forme souhaitée puis déposé sur le bord d’attaque par l’opérateur avant l’appairage du bouclier sur le bord d’attaque.

La colle est par exemple celle commercialisée par la société 3M® sous la référence AF191. Il s’agit d’une colle en film composée d’un support tressé imprégné avec une résine thermodurcissable à base epoxy.

Le bouclier 22 a en général une forme de dièdre et définit une rainure à section en V dans lequel est inséré un bord de la préforme. La colle 26 peut être déposée dans la rainure du bouclier et/ou sur le bord de la préforme 24.

La préforme 24 équipée de la colle 26 et du bouclier 22 est alors disposée dans le moule 30 (figure 3). Lors d’une étape b), le moule est fermé (sous-étape b1 ) par exemple avec un contre-moule rapporté sur le moule 30.

Le moule 30 est ensuite chauffé selon un cycle de chauffage prédéfini et conforme à l’invention (sous-étape b2).

Au cours de ce cycle, une résine polymérisable est injectée (sous étape b3) et cette résine est de préférence chauffée (étape c) préalablement à son injection, comme cela sera expliqué plus en détail dans ce qui suit.

La résine injectée dans le moule 30 est destinée à imprégner la préforme 24 et à venir au contact de la colle 26 du bouclier 22. Après polymérisation et durcissement de la résine, le bouclier 22 est solidarisé à la pale par l’intermédiaire de la colle 26 et de la résine.

L’aube 10 ainsi obtenue, après polymérisation de la résine, est avantageuse dans la mesure où son bouclier 22 est parfaitement positionné et maintenu sur la pale 12.

La résine est par exemple celle commercialisée par la société Solvay sous la référence PR520. Il s’agit d’une résine thermodurcissable à base epoxy et comportant un durcisseur, appelé CAF, ce durcisseur étant sous forme de particules mélangées à la base et destinées à être dissoutes par chauffage. En variante, la résine pourrait être celle commercialisée par la société 3M® sous la référence 2894.

La figure 4 illustre une caractéristique de l’invention relative au moment d’injection de la résine dans le moule.

La figure 4 est un graphe représentant deux variantes de réalisation d’un cycle de chauffage du moule, et représente donc l’évolution de la température du moule en fonction du temps.

L’axe des ordonnées représente donc la température en degrés Celsius, qui va de 0 à 200°C dans le cas présent. L’axe des abscisses représente le temps ou la durée en minutes, qui va de 0 à 240min dans l’exemple représenté.

Un premier cycle est désigné par la référence C1 et est représenté en traits continus. Le second cycle est désigné par la référence C2 et est représenté en traits pointillés.

Selon l’invention, chacun des cycles C1 , C2 comprend une succession de montées en température et de palier(s), de préférence au moins deux de chaque et plus préférentiellement trois de chaque comme dans l’exemple représenté.

Chaque cycle comprend en effet :

- éventuellement un premier palier de maintien en température T2 pendant une durée D1 prédéterminée,

■ une seconde montée en température depuis la température T2 jusqu’à une température T3, et

■■ un second palier de maintien en température T3 pendant une durée D2 prédéterminée,

- éventuellement une troisième montée en température depuis la température T3 jusqu’à une température T4, et

- éventuellement un troisième palier de maintien en température T4 pendant une durée D3 prédéterminée.

La figure 1 montre également par un trait droit discontinu le début d’injection de la résine dans le moule. Ce trait est référencé INJ. On constate que cette injection intervient pendant la seconde montée en température ou juste avant cette seconde montée en température. Plus exactement, dans l’exemple représenté, l’injection commence à la fin du palier à la température T2, c’est- à-dire juste avant le début de la seconde montée en température dans le cadre du premier cycle C1 , et donc à la température T2 du moule, ou après le début de cette injection dans le cadre du second cycle C2, lorsque la température du moule est comprise entre T2 et T3.

Selon une autre caractéristique de l’invention, la température T2 est choisie pour que Vc > K.Vr à cette température, avec :

- Vc : la viscosité de la colle,

- Vr : la viscosité de la résine, et

- K : un facteur supérieur ou égal à 100.

Dans ce qui suit, des informations générales sont d’abord données au sujet des différents paramètres du cycle de chauffage du procédé de fabrication. Ces paramètres sont valables pour plusieurs couples résine-colle et un cas particulier de mise en œuvre de ce cycle sera décrit plus en détail dans le cas d’un couple résine PR520 et colle AF191 (qui est comparable au couple résine 2894 et colle AF191 ).

Informations générales sur le cycle de chauffage selon un mode préféré de réalisation de l’invention :

T2 est comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 80 et 120°C, et plus préférentiellement entre 90 et 110°C.

La première montée en température est choisie pour ne pas altérer les propriétés de la colle, et est par exemple comprise entre 1 et 10°C par minute, de préférence entre 1 et 5°C par minute, et plus préférentiellement entre 2 et 3°C par minute.

La température T1 est une température ambiante.

K est de préférence supérieur ou égal à 300.

La durée D1 du premier palier est comprise entre 30 minutes et 2 heures.

La résine est préchauffée à une température Tr avant son injection à l’étape b). Cette température Tr est supérieure à la température T2, et est par exemple supérieure ou égale à 100°C, de préférence supérieure ou égale à 130°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.

T3 est supérieure ou égale à 140°C, de préférence supérieure ou égale à 150°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.

La durée D2 du second palier est comprise entre 10 minutes et 1 heure, de préférence entre 20 et 40 minutes, et plus préférentiellement de 30 minutes.

La température T4 est supérieure aux températures de transition vitreuse de la résine et de la colle, et est par exemple supérieure ou égale à 160°C, de préférence supérieure ou égale à 170°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 180°C.

La durée D3 du troisième palier est comprise entre 1 heure et 3 heures, de préférence entre 1 h30 et 2h30.

Exemple spécifique du couple résine PR520 et colle AF191 (comparable au couple résine 2894 et colle AF191 )

La résine PR520 doit être au préalable injectée en arrivant à une température d’au moins 160°C permettant d’assurer la dissolution de son durcisseur et ainsi diminuer la viscosité de la résine. Sans cette dissolution, il peut être difficile d’abaisser la température du moule et de la presse d’injection de la résine.

En référence au numéro 1 encerclé à la figure 1 et à la première montée en température, de T1 à T2 : la montée en température de la cavité du moule est fixée à 2,5°C/min, conformément aux recommandations contenues dans fiche de technique de la colle ; le point de départ est la température la plus adaptée pour la mise en place de la colle, typiquement à température ambiante.

En référence au numéro 2 encerclé à la figure 1 et au premier palier à la température T2 : la limite basse de la température d’injection est définie par la viscosité de la colle (ici, AF191 ) ; en effet, plus la température est haute, plus la colle va réagir avant même que l’injection n’ait commencé ; or, une pression doit être transmise le plus longtemps possible et avant le point de gel de la colle pour éviter la porosité au sein du joint de colle ; la Figure 5 présente des résultats d’essais de viscosité en laboratoire, qui montrent l’influence de la température à différents isothermes sur la viscosité de la colle AF191 ; on observe que jusqu’à 100°C, la résine réagit très peu sur un palier de 2h ; elle commence à réagir à la fin du palier seulement pour un palier de 110°C ; une température de palier <100°C est recommandée car un temps de 2h semble suffisant pour gérer les aléas de production et apporter une souplesse suffisante dans le procédé ; une durée plus longue voire plus courte pourrait être démontrée en fonction du besoin ; la limite haute de la température d’injection est quant à elle définie par la viscosité de la résine (ici, PR520) ; en effet, plus la température est basse, plus la viscosité de la résine est élevée, jusqu’au point de ne pas être capable d’injecter la résine dans la préforme du fait des pertes de charge trop importantes avec des injecteurs pouvant piloter en débit avec une pression maximale de 30 bars en général. Selon les recommandations du fournisseur de la résine PR520, la viscosité lors de l’injection ne devrait pas monter au-dessus 0,5Pa.s. Sur base d’essais pièces (aubes) et simulation, les pertes de charges à 90°C ne sont pas limitantes pour l’injection à une pression d’injection compatible des équipements standards et de la santé matière de la pièce. Une température de palier >90°C est ainsi recommandée dans le cas présent.

Des essais de viscosité en laboratoire montrent l’influence de la température à différents isothermes sur la viscosité de la résine PR520. On observe que la viscosité moyenne dans les 20 premières minutes de l’isotherme (durée moyenne d’une injection RTM pour une aube) évolue de la façon suivante :

- 100°C : 0,7 Pa.s ;

- 90°C : 1 ,5 Pa.s ;

- 80°C : 5 Pa.s ;

Etant donnés ces résultats, un compromis de température ou de palier d’injection se situe environ entre 90 et 110°C. Ce compromis permet :

- d’assurer une viscosité de la résine PR520 assez faible pour être injectée ; d’assurer une viscosité de la colle AF191 assez élevée pour rester en position sur la préforme lors de la montée en température du moule, limiter son fluage, et donc assurer une interface de colle contrôlée et répétable. De plus à cette température, un facteur 300 à 1500 existe entre la viscosité de la colle (500 à OOPa.s) et celle de la résine (1.5 à 0,7 Pa.s) assurant un mélange limité des deux composés et un contrôle de l’interface.

- d’assurer une fenêtre d’injection de 2 heures pendant laquelle la qualité de l’interface de collage restera constante puisque la viscosité de la colle évolue très peu. Cette fenêtre d’injection permet d’assurer une flexibilité en production comme d’assurer par exemple :

- une température conforme du moule ;

- une température minimum de la résine avant l’injection (viscosité, dissolution du durcisseur) ;

- un niveau de vide dans le moule à chaud, niveau de perte de vide dans le moule à chaud ; - une disponibilité des opérateurs ;

- un fonctionnement conforme de la presse d’injection ;

- un branchement conforme des thermocouples du moule ;

- un fonctionnement conforme du réchauffeur de résine ;

- etc.

Même en imaginant une injection totalement automatisée (non besoin d’un opérateur pour lancer l’injection), cette flexibilité permet d’assurer que toutes les conditions préalables à l’injection soient réunies et d’éviter d’altérer la préforme du fait du commencement de la polymérisation de la colle déposée sur la préforme dans le moule.

La durée du palier est de maximum 2 heures. En effet, il n’est pas nécessaire d’attendre 2h avant de lancer l’injection. Les seules contraintes sont :

- d’atteindre une homogénéité thermique suffisante du moule ; ce paramètre est à l’appréciation de chacun, mais l’homme du métier le fixera de ±10 à ±1 °C en fonction des requis de la pièce (notamment géométriques) ;

- limitées dans le cas présent à 2h, fixé par l’absence du lancement de la réaction de la colle observée en Figure 5 pour des paliers de 80, 90 et 100°C (il serait évidemment possible de pousser cette limite en continuant les essais de viscosité pendant une durée plus longue).

En ce qui concerne l’injection de la résine, il peut s’avérer difficile voire impossible d’injecter la résine dans le palier à 90°C. Deux variantes sont possibles. a) Le début d’injection a lieu à la fin du palier à 90°C (courbe C2) et au début de la seconde montée en température :

- ceci est possible en prenant en compte le délai de réponse thermique du moule par rapport à la presse d’injection. Une cartographie thermique du moule permet de définir le délai de réponse nécessaire à la cavité du moule pour répondre lors du lancement du chauffage de la presse ;

- avantages : la température de la colle lors du palier est minimisée est donc la durée de palier ne peut être que plus longue ; - inconvénients : l’injection se fait en transitoire thermique ; la réponse du moule dépend donc de paramètres tels que la réactivité et la capacité de la presse d’injection qui ne sont pas simples à maîtriser et reproduire de façon précise en série. b) Le début d’injection a lieu à la fin du palier à 100°C (courbe C1 ) et au début de la seconde montée en température.

- avantages : l’injection à l’isotherme est beaucoup plus simple à contrôler en production qu’en transitoire ; la répétabilité et la reproductibilité sont accrues ; cette solution est donc à privilégier pour cette raison dans un cadre industriel ;

- inconvénients : maintien de la colle à plus haute température, limitant la durée possible du palier et a priori dégradant légèrement la qualité de la colle du fait du fluage plus important de la colle.

L’activation du durcisseur de la résine PR520 se fait à une température d’au moins 160°C, comme expliqué par le fournisseur de la résine PR520 dans sa fiche technique. Il est donc nécessaire de dissoudre le durcisseur complètement avant l’arrivée de la résine dans le moule dont la température est relativement faible (<160°C). La dissolution du durcisseur peut se faire par son passage au travers d’un réchauffeur situé à l’entrée du moule garantissant la dissolution complète du durcisseur avant que la résine ne rentre dans le moule d’injection.

La dissolution du durcisseur permet également de réduire la viscosité de la résine. Il est difficile voire impossible d’injecter la résine PR520 dans un moule à moins de 160°C si le durcisseur n’a pas été préalablement dissout.

En référence au numéro 3 encerclé à la figure 4 et à la seconde montée en température de T2 à T3 :

A cette étape, la résine et la colle coexistent dans le moule et les caractéristiques de la montée en température peuvent notamment impacter les paramètres suivants :

- porosité : il a été montré en production que la montée en température peut impacter le taux de porosités ;

- uniformité thermique du moule : plus la montée en température est rapide, moins le moule est homogène en température et potentiellement plus la pièce a de contraintes résiduelles ; d’autant plus dans le joint de colle qui met en relation une pièce composite et un pièce métallique

En référence au numéro 4 encerclé à la figure 1 et au second palier à la température T3, appelé palier de maintien en pression :

- le palier de maintien en pression de la résine peut être nécessaire, en fonction de la géométrie de la pièce pour assurer un taux de porosité acceptable dans la résine PR520 ; c’est le cas dans le cadre de la présente invention pour la fabrication d’une aube ; la température T3 du palier peut être de 160°C environ ; un des principes est de viser la température à laquelle la viscosité de la résine est la plus basse afin de permettre le maximum de transmission de pression et donc refermer les porosités déjà créées ou en cours de création (émissions de gaz lors de la polymérisation) ; dans le cas présent, la durée du palier est de 30 minutes environ ; cette durée est définie afin de minimiser le taux de porosité dans l’aube.

En référence au numéro 5 encerclé à la figure 4 et à la troisième montée en température de T3 à T4, les conditions et paramètres sont similaires à la seconde montée en température.

En référence au numéro 6 encerclé à la figure 4 et au troisième palier à la température T4, appelé palier de cuisson :

- ce palier consiste en la polymérisation finale de la résine et de la colle afin d’atteindre leurs températures de transition vitreuse Tg respectives ; la température se doit donc d’être compatible avec les deux espèces chimiques ; il peut s’agir d’ailleurs d’un paramètre de sélection de ces deux composants ; ici un palier de 2h à 180°C, comme préconisé par le fournisseur de la résine PR520 est sélectionné ; le fournisseur de la colle AF191 préconise quant à lui un palier de polymérisation de 60 minutes à 176°C (350°F), bien qu’une polymérisation de 135 à 205°C (275-400°F) soit également possible.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Procédé de fabrication d’une aube (10) en matériau composite pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, cette aube comportant une pale (12) comportant un intrados (14) et un extrados (16) qui s’étendent depuis un bord d’attaque (12a) jusqu’à un bord de fuite (12b) de la pale, l’aube comportant en outre un bouclier métallique (22) s’étendant le long du bord d’attaque de la pale, le procédé comprenant les étapes consistant à : a) disposer une préforme (24) réalisée par tissage de fibres en trois dimensions dans un moule (30), le bouclier étant positionné sur un bord de la préforme destiné à former le bord d’attaque de la pale, et une colle (26) polymérisable étant intercalée entre le bouclier et le bord de la préforme, b) fermer le moule et le chauffer, puis injecter de la résine polymérisable dans le moule afin qu’elle imprègne la préforme de façon à former la pale après solidification, caractérisé en ce que le moule est chauffé suivant un cycle comportant :

■ une première montée en température depuis une température T1 jusqu’à une température T2,

■■ éventuellement un premier palier de maintien en température T2 pendant une durée prédéterminée,

- une seconde montée en température depuis la température T2 jusqu’à une température T3, et un second palier de maintien en température T3 pendant une durée prédéterminée, et en ce que : l’injection de résine intervient à l’étape b) pendant la seconde montée en température, ou juste avant cette seconde montée en température, et

- la température T2 est choisie pour que Vc > K.Vr à cette température, Vc étant la viscosité de la colle, Vr étant la viscosité de la résine, et K étant un facteur supérieur ou égal à 100.

2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel T2 est comprise entre 50 et 150°C, de préférence entre 80 et 120°C, et plus préférentiellement entre 90 et 110°C.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première montée en température est comprise entre 1 et 10°C par minute, de préférence entre 1 et 5°C par minute, et plus préférentiellement entre 2 et 3°C par minute.

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la température T1 est une température ambiante.

5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’injection commence au début de la seconde montée en température.

6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’injection commence après le début de la seconde montée en température.

7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel K est supérieur ou égal à 300.

8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée du premier palier est comprise entre 30 minutes et 2 heures.

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la résine est préchauffée à une température Tr avant son injection à l’étape b).

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la température Tr est supérieure à la température T2, et est par exemple supérieure ou égale à 100°C, de préférence supérieure ou égale à 130°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.

11 . Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel T3 est supérieure ou égale à 140°C, de préférence supérieure ou égale à 150°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 160°C.

12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la durée du second palier est comprise entre 10 minutes et 1 heure, de préférence entre 20 et 40 minutes, et plus préférentiellement de 30 minutes.

13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le cycle comprend en outre :

- une troisième montée en température depuis la température T3 jusqu’à une température T4, et ■■ un troisième palier de maintien en température T4 pendant une durée prédéterminée.

14. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la température T4 est supérieure aux températures de transition vitreuse de la résine et de la colle, et est par exemple supérieure ou égale à 160°C, de préférence supérieure ou égale à 170°C, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 180°C.

15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la durée du troisième palier est comprise entre 1 heure et 3 heures, et de préférence entre 1 h30 et 2h30.