FR2951400A1 - Piece structurale en materiau composite renforcee localement et procede de realisation d'une telle piece - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une pièce structurale en matériau composite (1, 6) comprenant au moins un trou (4), ladite pièce étant composée d'un empilement de plis de fibres. Selon l'invention, entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées (3), elle comprend un pli de renfort composé d'une fibre (10) décrivant une trajectoire spirale (2), ladite spirale étant sensiblement concentrique par rapport au centre dudit trou (4), chaque spire étant positionnée accolée bord à bord avec la suivante.

Description

Pièce structurale en matériau composite renforcée localement et procédé de réalisation d'une telle pièce

La présente invention concerne une pièce structurale en matériau composite renforcée localement autour d'un trou ou d'une ouverture ainsi qu'un procédé de réalisation d'une telle pièce structurale. Les pièces structurales en matériau composite présentent des propriétés, notamment mécaniques, pour une masse minimale. Ces structures sont donc largement mises en oeuvre dans l'industrie aéronautique (trappes, planchers, bords d'attaque, ailerons, cloisons intérieures, structures primaires, etc.). Une pièce en matériau composite est constituée d'un empilement de plis, chaque pli comportant des fibres longues s'étendant sensiblement parallèlement les unes aux autres selon des directions longitudinales. Ainsi ces structures présentent de très hautes caractéristiques mécaniques vis à vis des chargements dans le sens de la traction ou de la compression, c'est-à-dire longitudinalement.

Le nombre de plis d'une pièce structurale est déterminé, en chaque point de la pièce, en fonction des contraintes que doit subir en service ladite pièce. Déterminer le nombre de plis, le type de fibres utilisé, le type de résine utilisé, la disposition et l'orientation des fibres des différents plis relève de la conception continue des pièces structurales en matériaux composite. Ainsi l'épaisseur structurale d'une pièce en matériau composite résulte de l'empilement des plis structuraux et de la résine. Cette pièce en matériau composite est obtenue par des techniques de drapage de fibres sèches ou pré-imprégnées suivies d'un procédé d'injection de résine ou d'une cuisson de consolidation en autoclave.

Les pièces en matériaux composites encaissent des sollicitations essentiellement longitudinales. Cependant, ces pièces peuvent comporter des trous qui sont des grosses ouvertures ayant un diamètre de l'ordre de 10 cm.

Ces trous peuvent être des trous de visites présents sur diverses zones de la structure primaire d'un avion (mât réacteur, voilure, poutre centrale, etc.) permettant le montage et la maintenance d'éléments dans une zone formée de caisson. La présence de ces trous génère une concentration locale de contraintes qui pourrait dégrader les propriétés mécaniques de la pièce en matériau composite. Dans le cas des chapes sur divers noeuds structuraux de la structure primaire qui comportent des trous destinés à recevoir un axe, on rencontre également ce même problème de concentration d'efforts due à l'insertion de l'axe dans le trou qui pourrait réduire la tenue mécanique des chapes. La figure 5 illustre un exemple d'une telle pièce structurale ayant une partie primaire sensiblement plane et une extrémité comportant des moyens de fixations à une structure métallique. Ces moyens de fixations correspondent à une paire de chapes femelles en matériau composite pourvues d'un trou apte à permettre la mise en place d'un axe. Pour palier à ce problème de perte de tenue mécanique, la solution classique consiste à surdimensionner la pièce en augmentant l'épaisseur de la pièce, à savoir le nombre de plis structuraux. Or cette surépaisseur génère des pénalités en terme de masse mais également en terme de coût de fabrication. L'objectif de la présente invention est donc de proposer une nouvelle pièce structurale en matériau composite comprenant des trous remédiant aux inconvénients mentionnés ci-dessus, en intégrant des renforts structuraux optimisés au niveau des trous pour améliorer la tenue mécanique tout en présentant une masse minimale et permettant de réaliser l'assemblage d'un panneau sur un support sans endommager ce panneau. Un autre objectif est de proposer un procédé de réalisation d'une telle pièce structurale simple et économe. A cet effet, l'invention concerne une pièce structurale en matériau 30 composite comprenant au moins un trou, ladite pièce étant composée d'un empilement de plis de fibres. Selon l'invention, entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées, elle comprend un pli de renfort composé d'une fibre décrivant une trajectoire spirale, ladite spirale étant sensiblement concentrique par rapport au centre dudit trou, chaque spire étant positionnée accolée bord à bord avec la suivante. On entend par couche de plis une succession de plis de fibres unidirectionnelles orientées.

On comprend aisément que ces renforts, ainsi constitués de fibres quasi-tangentes à l'axe du trou, améliorent considérablement la tenue mécanique de la pièce, à la périphérie du trou. Avantageusement, ces plis de renfort sont agencés de manière régulière sur l'épaisseur de la structure entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées de sorte à conserver la symétrie d'orientation des fibres de l'empilement. Avantageusement, le diamètre extérieur De de ces plis de renfort est défini de sorte que le pli de renfort et les plis adjacents dans l'empilement forment une zone de recouvrement pour réaliser une zone de liaison entre la zone de plis unidirectionnels et la zone de plis de renfort. Dans une forme préférée de réalisation, le diamètre extérieur de ces plis de renfort décroît de manière progressive lorsque l'on s'éloigne de la base de l'empilement. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, la fibre décrivant une spirale forme une surface circulaire. Bien entendu, cette spirale peut former d'autres formes de surfaces géométriques suivant la forme du trou. A titre d'exemple, la forme de la spirale peut être ovale ou oblongue. Avantageusement, cette pièce structurale en matériau composite peut former un panneau en matériau composite comprenant au moins un trou de visite qui permet le montage et la maintenance. Elle peut former également une chape comportant un trou destiné à l'assemblage de cette chape sur une structure ou sur une autre chape par un moyen de fixation classique tel qu'un axe. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une pièce structurale en matériau composite comprenant au moins un trou telle que définie ci-dessus, ledit procédé comprenant une phase de réalisation d'un empilement de plis de fibres, une phase de consolidation de l'empilement visant à solidariser les fibres des différents plis par polymérisation de la résine pour obtenir ladite pièce, suivie d'une phase d'alésage pour réaliser ledit trou.

Selon l'invention, pendant la phase de réalisation de l'empilement de plis, entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées, on dépose des plis de renfort sous forme d'une fibre décrivant une trajectoire spirale et de manière concentrique par rapport au centre dudit trou, chaque spire étant déposée accolée bord à bord avec la suivante. Selon une forme de réalisation de l'invention, les plis de fibres unidirectionnelles orientées et les plis de renforts sont formés par des fibres pré-imprgnées de résine Selon une autre forme de réalisation de l'invention, les plis de fibres unidirectionnelles orientées et les plis de renforts étant formés par des fibres sèches, le procédé comporte en outre une phase d'imprégnation de résine desdits plis avant la phase de consolidation. La résine utilisée ou matrice qui sert à maintenir les fibres ensemble peut être de type thermoplastique, thermodurcissable ou un mélange des deux. Dans un mode de réalisation de l'invention, on dépose la fibre dudit pli de renfort sous forme d'une spirale pleine. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on dépose la fibre dudit pli de renfort sous forme d'une spirale formant un orifice en son centre, le diamètre intérieur Di dudit orifice étant sensiblement inférieur au diamètre dudit trou. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une vue de profil d'un empilement de plis formant un panneau en matériau composite selon l'invention avec une vue agrandie montrant un pli de renfort; - la figure 2 est une représentation schématique du panneau comportant un trou ; - la figure 3 représente un exemple de séquence de plis formant le panneau en matériau composite de la figure 1 ; - la figure 4 est une représentation schématique de profil d'un empilement de plis formant une chape selon l'invention avec une vue agrandie montrant un pli de renfort ; - la figure 5 représente schématiquement une vue partielle en coupe agrandie de la chape représentée sur la figure 4 ; - la figure 6 représente schématique un exemple d'assemblage entre une paire de chapes femelles et une chape mâle ; - la figure 7 représente un exemple de séquence de plis formant la chape en matériau composite.

L'invention concerne une pièce structurale en matériau composite comprenant des plis de renfort locaux qui sont aptes à répondre aux sollicitations de service au niveau des zones de trous et à répondre aux exigences de résistance aux endommagements, sans exiger de trop surdimensionner ladite pièce structurale. La présente invention est décrite de manière détaillée dans deux exemples d'application : un panneau comprenant un trou de visite et une chape comportant un trou d'assemblage. Ce choix n'est pas limitatif et la présente invention s'applique également à toutes pièces structurales comprenant des trous ou des ouvertures ayant un diamètre nécessitant l'utilisation des renforts. Les figures 1 et 2 représentent une pièce structurale en matériaux composite sous forme d'un panneau 1 comportant un trou de visite 4. Ce trou de visite permet le montage et la maintenance d'éléments situés par exemple dans une zone sous forme de caisson. Cette pièce structurale en matériau composite selon l'invention est composée d'un empilement de plis de fibres maintenues dans une résine. Plus précisément, l'empilement de plis est composé alternativement de plis de fibres unidirectionnelles orientées 3 et de plis de renfort 2. On peut voir sur la figure 1 qu'entre deux plis de fibres unidirectionnelles orientées 3, un pli de renfort sous forme de spirale est déposé. La figure 1 montre une vue agrandie d'un tel pli de renfort 2 qui est constituée d'une fibre 10 décrivant une spirale circulaire, la spire étant positionnée accolée bord à bord avec la suivante. Dans l'empilement, ce pli de renfort est agencé dans la zone de trou de visite de sorte que la spirale 2 et le trou ont le même centre. Ce pli de renfort présente un diamètre extérieur De et un diamètre intérieur Di. Le diamètre extérieur De est supérieur au diamètre du trou et suffisamment grand pour réaliser une zone de recouvrement Zr avec les plis adjacents qui sont composés de fibres unidirectionnelles pour réaliser une zone de liaison entre la zone de plis unidirectionnels et la zone de plis de renfort. Le diamètre intérieur Di correspond sensiblement au diamètre du trou. De préférence, ce pli de renfort suit la forme la forme du trou, aussi on peut tout à fait envisager un pli de renfort ayant une forme oblongue ou ellipsoïdale ou tout autre forme. Bien entendu, le pli de renfort peut également comporter un trou ayant un diamètre intérieur Di inférieur au diamètre final du trou (figure 1). Dans ce cas, l'extrémité de la fibre 10 pour décrire la spirale 2 ne débute pas à partir du centre de la spirale mais à une certaine distance. Le diamètre final du trou est obtenu par l'opération d'alésage. De manière générale ce pli renfort peut être à l'origine une spirale pleine lorsqu'il est inséré entre les deux plis de fibres unidirectionnelles. On entend par spirale pleine, une spirale dont une extrémité de la fibre commence par le centre. Dans ce cas, le trou de visite 4 est réalisé par une opération d'alésage réalisée au moyen d'un outil d'usinage. Dans un empilement de plis de l'art antérieur dans lequel où les fibres sont toutes unidirectionnelles et orientées dans le plan du pli, on a observé qu'autour de ce trou de visite 4 dans la pièce en matériaux composites 1, il ya une concentration d'efforts, le produit final ainsi obtenu n'atteignant pas les propriétés mécaniques attendues. Même un surdimensionnement de l'épaisseur de l'empilement ne permet pas améliorer la tenue mécanique de l'ensemble. On comprend donc ici que ce défaut est remédié par la présente invention par le fait que les fibres des plis de renfort sont quasi-tangentes à l'axe 5 du trou de visite. Ainsi la présence de ces plis de renforts permet de répondre aux sollicitations auxquelles la zone du pourtour du trou est soumise, améliorant considérablement la tenue mécanique de l'empilement en bord de trou.

De préférence, le pli de renfort 2 et le pli de fibres unidirectionnelles 3 ont la même épaisseur et les fibres sont de même nature choisies parmi un groupe de matériaux connus, tels que par exemple le carbone. Cependant, les matériaux utilisés pour la réalisation du pli de renfort et du pli de fibres unidirectionnelles peuvent être de nature différente, afin que la pièce structurale réponde au mieux à sa fonction finale.

Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, pour réaliser la prise d'épaisseur entre la zone courante du panneau composée de fibres unidirectionnelles et la zone de bord de trou renforcée par la présence de la fibre sous la forme d'une spirale, on fait varier progressivement le diamètre extérieur du pli de renfort. Plus précisément, le diamètre du pli de renfort décroît au fur à mesure que l'on s'éloigne de la base de l'empilement 1. De préférence, ces plis de renfort 2 sont agencés de manière régulière sur l'épaisseur de la pièce structurale entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées de sorte à conserver la symétrie d'orientation des fibres de l'empilement. On entend par couche de plis une succession de plis de fibres unidirectionnelles orientées. La figure 3 montre un exemple de séquence des plis du panneau en matériau composite comprenant des plis de renfort locaux 2. Cette séquence est composée ici d'une succession de 6 couches 101, 102, 103, 104, 105, 106 de fibres unidirectionnelles orientées suivant des angles 45°, 0°, 135° et 90°. Les plis de renfort 2 sont insérés entre deux couches de plis de manière homogène sur l'épaisseur de l'empilement. Ainsi, deux couches sont symétriques d'orientation par rapport au plan contenant le pli de renfort. Les figures 4, 5 et 6 montrent un deuxième exemple d'application de l'invention relatif à une chape en matériau composite comportant un trou d'assemblage. Plus précisément, la figure 4 montre l'empilement des plis 6 d'une telle pièce structurale. Une chape comporte généralement un trou d'assemblage 4. Cette chape est généralement destinée à être rapportée sur une autre structure composite. La figure 6 montre un exemple d'assemblage dans lequel une chape mâle 8 s'insère dans l'espacement formé par deux chapes femelles 7, 11 de sorte que les trois trous 4 soient en regard pour faire passer un axe 9 pour l'assemblage. On comprend qu'il est nécessaire de renforcer localement la zone de chape soumise à des sollicitations de service importantes.

De la même façon que dans le premier cas d'exemple d'application, entre deux plis de fibres unidirectionnelles 3 ou deux couches de plis de fibres unidirectionnelles, on insère un pli de renfort 2 composé d'une fibre 10 sous forme d'une spirale. Cette Spirale qui peut être initialement pleine ou munie d'un trou est disposée de manière concentrique par rapport au centre du trou d'assemblage 4. La spire est agencée accolée bord à bord avec la suivante. Les renforts 2 sous forme de spirale sont ainsi constitués de fibres quasi-tangentes à l'axe 5 qui passe par le centre du trou et qui est perpendiculaire aux plans des plis de l'empilement 6. De cette façon, ces fibres permettent de répondre au mieux aux sollicitations exercées pendant l'alésage du trou et aux sollicitations de service, améliorant ainsi la tenue mécanique de l'empilement à proximité de bord de trou de la chape. La figure 5 montre une vue partielle en coupe de la chape prolongée à une extrémité par un panneau. On peut voir un ensemble de plis de renforts sous forme de spirales autour du trou 4 d'assemblage. Pour obtenir la forme de la chape, on forme tout d'abord un panneau en matériau composite avec des plis de renforts disposés au niveau du trou, on réalise ensuite un détourage au moyen d'un outil approprié pour former la forme de chape. On réalise ensuite en dernière étape un alésage pour obtenir le trou. La figure 7 représente un exemple de séquence de plis. La configuration des orientations des fibres dans le plan des plis est similaire à celle de la figure 3. On peut voir également que les plis de renforts 2 sont insérés de manière régulière sur l'épaisseur de la pièce et agencés par rapport aux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées de manière à conserver la symétrie d'orientation de l'empilement, afin de conserver les propriétés mécaniques souhaitées. La présente invention a pour objet également un procédé de réalisation d'une pièce structurale en matériau composite telle que décrite ci-dessus. La fabrication de pièces en matériau composite qui comprend d'une part, un ou plusieurs renforts fibreux et, d'autre part, une matrice de résine de type thermoplastique, thermodurcissable ou un mélange des deux, comporte principalement deux phases, une phase de drapage pour obtenir l'empilement de plis souhaité et une phase de consolidation de l'empilement pour obtenir le panneau. Cette phase de consolidation est obtenue par un compactage dans la direction d'empilement pour faire évacuer l'air et les gaz présents dans l'empilement, de sorte que le panneau obtenu présente un taux de porosité acceptable. D'autre part cette phase de consolidation s'effectue en appliquant un chauffage, en plaçant l'ensemble par exemple dans une étuve, afin de le porter à la température requise pour obtenir la fusion de la résine sur les fibres. La phase de drapage est réalisée principalement par la mise en oeuvre de deux modes de réalisation.

Le premier mode de réalisation est défini par le fait que les fibres sont mises en oeuvre à l'état sec. La résine ou matrice est mise en oeuvre séparément, par exemple par injection dans le moule contenant les renforts fibreux (procédé "RTM", de l'anglais Resin transfert Molding) ou bien encore par enduction/imprégnation manuelle au rouleau sur chacun des plis.

Le procédé de réalisation de la pièce structurale selon l'invention est décrit ci-dessus de manière détaillée pour ces deux types de procédé. Selon ce premier mode de réalisation, une pièce structurale en matériau composite de l'invention, réalisée par transfert de résine, dit RTM, comporte essentiellement une structure formée d'un ensemble de fibres maintenues dans une résine. Suivant le procédé, dans une première étape, une préforme sèche est réalisée. Cette préforme est réalisée par un empilage de plis de fibres à l'état sec. Entre deux séquences de dépose de fibres unidirectionnelles, on dépose une fibre de type carbone décrivant une trajectoire spirale en suivant sensiblement la forme dudit trou et de manière concentrique par rapport au centre dudit trou, chaque spire étant déposée accolée bord à bord avec la suivante. La nature des fibres et l'orientation des fibres unidirectionnelles sont déterminées au préalable selon les exigences de sollicitations auxquelles la pièce est soumise. Dans une seconde étape, cette préforme sèche est imprégnée d'une résine. Selon le procédé RTM, cette préforme est placée à l'intérieur d'un moule dont la forme et le volume correspondent sensiblement à la forme et aux dimensions du panneau à réaliser.

Dans une troisième étape du procédé, la résine est polymérisée pour solidariser les fibres des différents plis pour obtenir le panneau composite. Dans une dernière étape, on réalise un alésage pour obtenir le trou. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la phase de drapage est connu de l'homme du métier. Il comprend généralement une tête de dépose montée 35 sur une machine à commande numérique et mobile relativement à la surface à recouvrir, un galet de dépose et des moyens d'acheminement de la fibre au galet de dépose. Ainsi il est possible de programmer précisément la tête de dépose pour réaliser le pli sous forme d'une spirale. Selon une solution alternative, on peut envisager une phase de drapage dans laquelle les plis de renforts sous forme de spirale sont réalisés à part. Pour cela, on peut fabriquer au préalable ces plis de renfort sous forme de préforme qui sont insérés ensuite un à un dans la séquence de drapage de l'empilement constituant le panneau. Ces préformes sont placées de manière concentrique au centre du trou et réparties de façon homogène dans l'épaisseur de l'empilement (figure 3 et figure 7). Ces préformes peuvent être insérées manuellement, à l'aide d'un système d'indexage ou bien au moyen d'un procédé automatisé tel qu'un bras robot avec ventouses à dépression. Un deuxième mode de réalisation est défini par le fait que les fibres et la résine sont au préalable associées avant d'être mises en oeuvre et les fibres sont pré-imprégnées de résine avant le drapage. Selon ce deuxième mode de réalisation, la pièce structurale en matériau composite peut également être réalisée par la mise en oeuvre d'un procédé classique de drapage de fibres pr-imprégnées de résine. Ce deuxième mode diffère du premier en ce que l'étape d'imprégnation de résine n'est plus nécessaire, la phase de drapage comporte une seule étape dans laquelle on réalise un empilement de fibres pré-imprégnées, suivie d'une phase de consolidation. Par voie de conséquence, le pli de renfort est composé d'une fibre pré-imprégnée de résine décrivant une spirale. La formation de cette spirale peut être effectuée entre deux séquences de drapage de plis de fibres unidirectionnelles. Elle peut également être réalisée à part au préalable, comme dans le premier mode de réalisation, puis déposée directement sur la surface du pli de fibres unidirectionnelles. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.35

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Pièce structurale en matériau composite (1, 6) comprenant au moins un trou (4), ladite pièce étant composée d'un empilement de plis de fibres, caractérisée en ce qu'entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées (3), elle comprend un pli de renfort composé d'une fibre (10) décrivant une trajectoire spirale (2), ladite spirale étant sensiblement concentrique par rapport au centre dudit trou (4), chaque spire étant positionnée accolée bord à bord avec la suivante.
2. 2. Pièce structurale selon la revendication 1, caractérisée en ce que ces plis de renfort (2) sont agencés de manière régulière sur l'épaisseur de la pièce structurale entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées de sorte à conserver la symétrie d'orientation des fibres de l'empilement.
3. 3. Pièce structurale selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre extérieur (De) dudit renfort est défini de sorte que le pli de renfort (2) et les plis adjacents (3) dans l'empilement forment une zone de recouvrement (Zr) pour réaliser une zone de liaison entre la zone de plis unidirectionnels et la zone de plis de renfort.
4. 4. Pièce structurale selon la revendication 3, caractérisée en ce que le diamètre extérieur (De) de ces plis de renfort (2) décroît de manière progressive lorsque l'on s'éloigne de la base de l'empilement.
5. 5. Pièce structurale selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la fibre (10) décrivant la spirale forme une surface sensiblement circulaire.
6. 6. Pièce structurale selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle forme un panneau (1) en matériau composite comprenant au moins un trou de visite (4).30
7. 7. Pièce structurale selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle forme une chape (6) comportant un trou (4) destiné à l'assemblage.
8. 8. Procédé de réalisation d'une pièce structurale (1, 6) en matériau composite comprenant au moins un trou (4) définie selon l'une des revendications 1 à 7, ledit procédé comprenant une phase de réalisation d'un empilement de plis de fibres, une phase de consolidation de l'empilement visant à solidariser les fibres des différents plis par polymérisation de la résine pour obtenir ladite pièce, suivie d'une phase d'alésage pour réaliser ledit trou (4), caractérisé en ce que pendant la phase de réalisation de l'empilement de plis, entre deux couches de plis de fibres unidirectionnelles orientées (3), on dépose des plis de renfort (2) sous forme d'une fibre (10) décrivant une trajectoire spirale et de manière concentrique par rapport au centre dudit trou (4), chaque spire étant déposée accolée bord à bord avec la suivante.
9. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plis de fibres unidirectionnelles orientées (3) et les plis de renforts (2) sont formés par des fibres pré-imprgnées de résine
10. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plis de fibres unidirectionnelles orientées (3) et les plis de renforts (2) étant formés par des fibres sèches, le procédé comporte en outre une phase d'imprégnation de résine desdits plis avant la phase de consolidation.
11. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'on dépose la fibre dudit pli de renfort sous forme d'une spirale pleine.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'on dépose la fibre dudit pli de renfort sous forme d'une spirale formant un orifice en son centre, le diamètre intérieur Di dudit orifice étant sensiblement inférieur au diamètre dudit trou (4).