FR2971728A1

FR2971728A1 - Procede de formage de pieces composites de forme non developpable a fibres continues

Info

Publication number: FR2971728A1
Application number: FR1151439A
Authority: FR
Inventors: Bruno Thomas; Serge Meunier; Michel Bermudez; Mathieu Piana
Original assignee: Astrium SAS
Current assignee: ArianeGroup SAS
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: FR2971728B1

Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de réalisation de pièces non développables à partir de plaques de matériau composite comportant un ou plusieurs plis de tissu composite, comprenant les étapes suivantes: - réalisation d'une première mise en forme de la plaque dite préforme du matériau dans un outillage de bridage (1 , 2) de forme spécifique réglée, - déformation de cette préforme au moyen d'un outillage final (1 , 2, 3) de réalisation de la forme non développable; cette déformation étant effectuée en associant chauffage de la préforme, puis déformation lente de cette préforme chauffée grâce à un mouvement adapté de l'outillage final dans une direction provoquant une déformation desdits plis dans leur plan, - consolidation de la pièce par polymérisation dans le cas d'une pièce à matrice thermodurcissable ou lors du refroidissement dans le cas d'une pièce à matrice thermoplastique.

Description

PROCEDE DE FORMAGE DE PIECES COMPOSITES DE FORME NON DEVELOPPABLE A FIBRES CONTINUES La présente invention concerne un procédé de formage de pièces composites de forme non développable à fibres continues. Les pièces composites à fibres continues sont notamment des feuilles composites réalisées à partir de fibres continues unidirectionnelles ou tissées alliées à une matrice de résine thermoplastique ou thermodurcissable. Les fibres servant à réaliser de telles pièces sont des produits industriels classiques, fibre de carbone, verre, silice, carbure de silicium, des fibres organique type PBO, des fibres végétales telles que le lin, le chanvre ou autres fibres. Le formage de pièces composites de forme non développable est notamment réalisé par formage en continu de type "roll-forming" selon la terminologie Anglo-saxonne. Cette méthode est manuelle, longue, répétitive et donc peu fiable quant à la qualité du résultat attendu et difficile à utiliser dans le cadre de réalisations industrielles et est en outre chère.

Pour des pièces développables on utilise du formage de type poinçon matrice mais cette technique n'est pas appropriée pour des pièces de forme non développable du fait qu'elle peut générer un plissement des couches de composites, en particulier de composites pré-imprégnées néfaste à la tenue mécanique de ces pièces.

Un exemple de procédé de transformation d'une feuille plane en matériau composite adapté à former des plis d'une pièce à réaliser à partir d'une feuille conventionnelle comportant des orientations de fibres conventionnelles, en particulier suivant un agencement rectangulaire, pour leur faire prendre des directions désirées par rapport aux formes de la pièce à réaliser est donné par le document FR2 935 107 A1. Un inconvénient significatif de l'art antérieur de type poinçon - matrice est le retour élastique après formage qui fait qu'après formage et consolidation la 5 forme de la pièce n'est pas celle de l'outillage. Par exemple, pour un Z formé de 3 secteurs à 90° l'un de l'autre, ce retour élastique est de 3°. Cela implique une anticipation au niveau de la conception du moule, et donc une itération dans sa fabrication. Puisque ce retour élastique, lié à des 10 contraintes résiduelles n'est pas prévisible simplement, autrement que par expérimentation. Partant de cet art antérieur, la présente invention vise à permettre la réalisation de pièces non développables en matériaux composites, ce de façon reproductibles selon un procédé utilisable à une échelle industrielle visant en 15 particulier à diminuer le retour élastique de la pièce formée pour le rendre acceptable, par exemple inférieur à 10. De façon générale, l'invention porte sur un procédé permettant de transformer des semi produits qui sont des unidirectionnels ou des tissus réalisés à partir de matériaux composites en une pièce non développable. 20 La matière première peut être un pré-imprégné ou une matière poudrée ou voilée notamment. Elle est composée de fibres continues unidirectionnelles ou tissées, alliées à une matrice thermoplastique ou thermodurcissable. La difficulté pour fabriquer des pièces non développable à partir de tissus 25 de fibres continues tient au fait qu'il faut déformer les tissus localement dans leur plan, de façon à ce que ces tissus aient la courbure locale recherchée, ce qui implique qu'il faut faire glisser les fils du tissus l'un par rapport à l'autre. Les pièces à réaliser sont notamment des segments de cadres à sections en Z adaptés à former des raidisseurs courbes pour éléments de cylindres tels 30 que des tronçons de fuselages d'aéronefs. Plus précisément, le procédé de réalisation de pièces non développables à partir de plaques de matériau composite, en particulier plaques de matériau à fibres continues, comportant un ou plusieurs plis de tissu composite, de l'invention comprend principalement les étapes suivantes: - réalisation d'une première mise en forme de la plaque dite préforme du matériau dans un outillage de bridage de forme spécifique réglée, - déformation de cette préforme au moyen d'un outillage final de réalisation de la forme non développable; cette déformation étant effectuée en associant chauffage de la préforme, puis déformation lente de cette préforme chauffée grâce à un mouvement adapté de l'outillage final dans une direction provoquant une déformation desdits plis dans leur plan, consolidation de la pièce par polymérisation dans le cas d'une pièce à matrice thermodurcissable ou lors du refroidissement dans le cas d'une pièce à matrice thermoplastique. Dans le cas d'une pièce comportant plusieurs plaques de matière première le procédé comprend avantageusement une étape d'empilement de plusieurs 15 préformes après mise en forme. Dans le cas de l'application du procédé à un thermoformage 3D d'une pièce mono-pli, l'étape de mise en forme comprend avantageusement: - une découpe du pli, - une mise en place du pli sur un dispositif de cambrage partie de 20 l'outillage de bridage; - un bridage du pli; Toujours dans le cas de l'application du procédé à un thermoformage 3D d'une pièce mono-pli, l'étape de déformation comprend avantageusement: - un chauffage du pli jusqu'à ramollissement de la résine; 25 - un formage du pli à l'aide de l'outillage final; - une étape de refroidissement homogène et maintien en forme du pli; - une étape de consolidation. Dans ce dernier cas, le procédé comprend préférentiellement une étape d'empilement de plis réalisée avant ou après formage pour réaliser un multipli. 30 Dans le cas de l'application du procédé à un thermoformage 3D d'un laminé, l'étape de mise en forme comprend avantageusement: - une découpe des plis; - un empilement des plis plans; - une mise en place du pli sur un dispositif de cambrage partie de l'outillage de bridage; - un bridage du pli; Dans ce dernier cas, l'étape de déformation comprend avantageusement: - un chauffage du laminé jusqu'à ramollissement de la résine; - un formage du laminé à l'aide de l'outillage final; - une étape de refroidissement homogène et maintien en forme du laminé; - une étape de consolidation.

Pour mémoire, on appelle « laminé » un matériau consolidé ou pas qui comporte une seule couche de produit (UD ou tissus) et stratifié un matériau qui en comporte plusieurs couches. Pour le procédé de l'invention, l'outillage final comprenant un mors mobile de profil transversal coulissant par rapport à l'outil de bridage et un mors fixe partie de l'outil de bridage, l'étape de déformation comporte avantageusement une étape de pressage de la pièce entre le mors mobile et le mors fixe. L'invention propose également un outillage de réalisation de pièces non développable selon le procédé de l'invention, cet outillage comportant un outil de bridage adapté à conformer la pièce selon une première courbure et un outil de pressage comportant un mors fixe partie de l'outil de bridage et un mors mobile par rapport à l'outil de bridage, le mors fixe et le mors mobile étant adaptés à déformer la pièce dans une direction non parallèle à la première courbure. L'outillage peut notamment être tel qu'il comporte un outil de bridage adapté à conformer la pièce selon une première courbure et un outil de pressage comportant un mors fixe partie de l'outil de bridage et un mors mobile par rapport à l'outil de bridage, le mors fixe et le mors mobile étant adaptés à déformer la pièce en cisaillement par rapport à la première courbure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de 30 l'invention accompagné des dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique en perspective d'un outil de bridage de l'invention sur un bâti pourvu de moyens de chauffage; en figure 2: une vue schématique d'un outillage de bridage de l'invention selon un autre angle; en figure 3: une vue schématique d'un outillage final de l'invention; en figure 4: une vue en perspective d'une pièce réalisée selon le procédé 5 de l'invention; en figure 5: un détail de la pièce de la figure 4; en figure 6: une section de cylindre raidie au moyen d'un raidisseur réalisé selon le procédé de l'invention; en figure 7: une vue d'ensemble d'un processus de fabrication comportant 10 le procédé de l'invention. Le procédé de la présente invention permet de réaliser une section d'un raidisseur non développable courbe à partir d'un pli unique ou d'un empilage de plis préalablement découpés. L'invention s'applique à des matériaux laminés ou stratifiés. 15 On appelle matière première les pli unique (laminé) ou empilage de plis (stratifié) selon le cas. Les plis formant la plaque de matériau composite sont placés unitairement ou en séquence dans un outillage de bridage de forme spécifique, par exemple cylindrique dans le cas de la fabrication de raidisseurs courbes pour fuselage 20 d'aéronef, pour obtenir la préforme. Un tel outillage qui comprend une forme concave 1 et une contre-forme convexe 2 est représenté en figure 1. L'outillage de bridage est réalisé de sorte que la préforme contrainte entre la forme 1 et la contre-forme 2 reproduit la courbure longitudinale souhaitée pour le raidisseur, par exemple rayon de portion de cadre de fuselage ou autre. 25 Il est à noter que la courbure de l'outillage de bridage peut être différente d'une courbure cylindrique, par exemple courbure elliptique, courbure en S ou autre selon la courbure de la pièce à réaliser. Toujours selon la figure 1, une fois l'ensemble des plis bridés, ils sont chauffés et toujours selon la figure 1 on utilise des moyens de chauffage 4, 5 de 30 type lampes à infrarouges. L'outillage de bridage est représenté sous un autre angle à la figure 2 et l'on voit ici que l'outillage de bridage constitué de la forme 1 et de la contre forme 2 ne s'applique que sur la partie inférieure de la pièce 6.

Une fois la pièce contrainte et chauffée, il faut ensuite procéder au formage de la préforme à l'aide d'un outillage final de mise en forme ce qui déploie les plis sur le profil souhaité en provoquant une déformation des tissus des plis dans leur plan.

La figure 3 représente un exemple de l'outillage final comprenant l'outillage de bridage et un mors mobile 3. Selon cette figure on a représenté des vérins 7 et 8, le vérin 7 permettant de déplacer la contre-forme 2 vers la forme 1 et le vérin 8 permettant de déplacer le mors mobile 3, les vérins 7 et 8 prenant appui sur une partie fixe 9 solidaire du bâti 11 sur lequel est fixé la forme 1. Comme vu plus haut, l'outillage de bridage et/ou l'outillage final sont couplés un moyen de chauffage permettant de ramollir la résine présente sur le matériau et ainsi faciliter le formage final. Ce chauffage réalise: - une pré-consolidation avant intégration dans le moule de consolidation finale pour les thermoplastiques, - le préformage par cohésion interlaminaire des plis pour les matériaux thermodurcissables, en particulier ceux poudrés ou voilés par exemple d'une gamme par injection de résine.

L'outillage de bridage conforme le ou les plis en une surface réglée dont les génératrices restent parallèles entre elles et parallèles à un plan fixe appelé plan directeur. Dans le cas des cadres, les génératrices sont perpendiculaires et sécantes avec la courbe directrice de la pièce cylindrique à renforcer. Dans un cas plus 25 général la courbe directrice peut avoir une courbure quelconque. L'outillage final va déformer la feuille dans une direction perpendiculaire aux génératrices. Pour comprendre le phénomène, le tissu des plis, par exemple tissu carbone, est considéré comme un maillage constitué d'éléments quadrilatères à 4 30 noeuds. Si l'on prend l'exemple de la partie cylindrique d'un cadre, le glissement entre les fibres longitudinales et les fibres circonférentielles est quasiment nul.

Cela permet de garantir un taux de fibre constant et la concentricité des fibres circonférentielles. Le principe de formage 3D de l'invention consiste en un mouvement unidirectionnel (translation) du mors 3 par rapport au bridage de la feuille qui provoque un déplacement tridimensionnel de chaque noeud en 3 dimensions. Le mode de déformation des mailles dans les parties non-développables étant du gauchissement, La distance entre les noeuds reliés à une même poutre d'un élément reste constante. La déformation est représentée en figure 5 où l'on voit les différences d'orientation des fibres entre les parties supérieure 12 et inférieure 13 où les fibres sont droites et la partie intermédiaire 14 pour laquelle les fibres sont contraintes en gauchissement par le procédé. Ce gauchissement obtenu par le procédé de l'invention permet notamment d'éviter le plissage du pli en cas de réduction de diamètre imposé dans le cas d'un 15 procédé de thermoformage. Dans le procédé de l'invention, la préforme est chauffée pour que la résine du matériau composite soit dans une phase visqueuse. Ceci permet une déformation angulaire entre chaîne et trame du tissu de la préforme. 20 La vitesse de déformation de la plaque est fonction de la viscosité de la résine. C'est pourquoi le formage est réalisé à une vitesse peu élevée qui est déterminée par mise au point en fonction de la résine pour ne pas la détériorer. Le procédé de l'invention permet d'obtenir un taux de fibre homogène, un cintrage des plis dans les directions souhaitées tout en conservant une bonne 25 santé matière des semi-produits. La durée de l'opération reste modérée, le procédé et ses moyens de mise en oeuvre restent simples et évitent en particulier d'utiliser un autoclave pour la consolidation des thermoplastiques du fait qu'une pression est appliquée avec le système de mise en forme. 30 Le procédé est adapté à une production en série. L'outillage comporte ainsi un dispositif de cambrage et bridage cylindrique des plis qui est avantageusement régulé en température et peut être disposé dans une enceinte thermique ventilée, équipée de modules infrarouges pour le chauffage des plis par chauffage local et convection, une cintreuse à rouleaux cylindrique et une plaque inférieure formant le bâti 11, par exemple plaque aluminium pour le maintien isotherme des plis thermoformés. On distingue en particulier 2 gammes de fabrication, selon qu'on préforme 5 les plis un par un ou pas: Dans le cas d'un thermoformage 3D mono-pli les étapes suivantes sont réalisées: - Découpe du pli, cette opération pouvant être réalisée sur un lot de plis qui seront stockés avant d'être utilisés; 10 - Mise en place du pli sur le dispositif de cambrage comportant une forme 1 et une contre-forme 2; - Bridage par serrage de la pièce entre la forme et la contre-forme; - Dans le cas où le dispositif de formage est disposé dans une enceinte thermique, fermeture de l'enceinte thermique; 15 - Chauffage du pli jusqu'à ramollissement de la résine par exemple au moyens d'un dispositif de chauffage infrarouge ou d'un dispositif de chauffage intégré dans le dispositif de bridage conformé en cintreuse; - Formage à l'aide de la cintreuse; - refroidissement homogène et maintien en forme du pli, ce 20 refroidissement homogène peut être réalisé en utilisant une plaque aluminium en contact avec le pli; - empilement des plis formés; - consolidation; Dans le cas d'un thermoformage 3D laminé les étapes suivantes sont 25 prévues: - Découpe des plis; - Empilement des plis plans; - Mise en place des plis sur le dispositif de cambrage; - Bridage; 30 - Dans le cas où le dispositif de formage est disposé dans une enceinte thermique, fermeture de l'enceinte thermique; - Chauffage du laminé jusqu'à ramollissement de la résine; - Formage à l'aide de la cintreuse; - Consolidation. La préforme peut être notamment chauffée par exemple au moyens d'un dispositif de chauffage infrarouge ou d'un dispositif de chauffage intégré dans le dispositif de bridage conformé en cintreuse afin de ramollir la résine et permettre ainsi la déformation angulaire du motif. Il est à noter que dans le cas d'un thermoplastique, il est possible de chauffer la résine jusqu'à son passage en phase visqueuse du fait que les matériaux thermoplastiques peuvent être déconsolidés et reconsolidés plusieurs fois.

L'invention s'applique à la réalisation de toute pièce composite à partir de tissu sec ou de pré-imprégné, que la matrice soit thermodurcissable ou thermoplastique. Le procédé s'applique aussi à d'autres formes que le cadre en Z selon la forme donnée à l'outillage.

Un avantage de l'invention est que le retour élastique est de + ou - 0,5°, ce qui est un grand progrès et ne nécessite pas d'adaptation de l'outillage comme par exemple des adaptations de dépouilles ou d'angles nécessaires dans l'art antérieur. Les structures cylindriques composites de type cadres sont destinées par 20 exemple à la réalisation de raidisseurs circonférentiels qui se retrouvent dans toutes les structures de forme cylindrique, telles que: - les fuselages d'aéronefs, - les viroles qui servent à réaliser des structures ou des zones inter étages de lanceurs ou de missiles, 25 - les structures composites d'hélicoptères, - plus généralement, à toutes pièces structurales dimensionnées en flambement sous effort de compression et/ou de pression externe. La section de cadre qui peut être obtenue par le procédé de l'invention peut être de type en Z, en C, en W ou autre. 30 Un exemple de section de fuselage 15 équipée de raidisseurs réalisés selon le procédé de l'invention est donné en figure 6.

Les raidisseurs sont courbés selon la courbure du fuselage au moyen du procédé de l'invention puis fixés au panneau de fuselage par collage, soudage ou autre technique de l'état de l'art. La figure 7 illustre un exemple de chaine de fabrication de tels produits avec un poste de découpe 100, un poste d'imprégnation 101, un robot 102 de préhension et de positionnement, un plateau tournant 103 muni de 5 postes de formage permettant de réaliser les opérations nécessaires à la réalisation des pièces selon la séquence représentée sous la chaine de fabrication par les étapes A à E, étape A positionnement du pli 6 dans l'outillage comportant la forme 1, la contre-forme 2 et le mors 3, étape B chauffage du pli maintenu serré entre la forme 1 et la contre forme 2, étape C mise en contrainte par déplacement du mors 3 pour mise en forme finale de la pièce, étape D polymérisation ou refroidissement en forme de la pièce et étape E libération de la pièce par recule du mors 3 et de la contre-forme 2.

Selon ce mode de réalisation, les postes de formage sont actionnés par des vérins 7, 8 pilotant le déplacement de la contre-forme 2 et du mors mobile 3. L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment, le profil de l'outillage peut être adapté pour réaliser la pièce avec d'autres profils qu'un profil en Z.20

Claims

REVENDICATIONS1 - Procédé de réalisation de pièces non développables à partir de plaques de matériau composite comportant un ou plusieurs plis de tissu composite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - réalisation d'une première mise en forme de la plaque (6) dite 5 préforme du matériau dans un outillage de bridage (1,
2) de forme spécifique réglée, - déformation de cette préforme au moyen d'un outillage final (1, 2,
3) de réalisation de la forme non développable; cette déformation étant effectuée en associant chauffage (4, 5) de la préforme, puis déformation lente de cette 10 préforme chauffée grâce à un mouvement adapté de l'outillage final dans une direction provoquant une déformation desdits plis dans leur plan, - consolidation de la pièce par polymérisation dans le cas d'une pièce à matrice thermodurcissable ou lors du refroidissement dans le cas d'une pièce à matrice thermoplastique. 15 2 - Procédé selon la revendication 1 appliqué à une pièce comportant plusieurs plaques de matière première caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'empilement de plusieurs préformes après mise en forme. 3- Procédé selon la revendication 1 appliqué à un thermoformage 3D d'une pièce mono-pli caractérisé en ce que l'étape de mise en forme comprend: 20 - une découpe du pli, - une mise en place du pli sur un dispositif de cambrage (1) partie de l'outillage de bridage; - un bridage du pli;
4 - Procédé selon la revendication 1 ou 3 appliqué à un thermoformage 25 3D d'une pièce mono-pli caractérisé en ce que l'étape de déformation comprend: - un chauffage du pli jusqu'à ramollissement de la résine; - un formage du pli à l'aide de l'outillage final (1, 2, 3); - une étape de refroidissement homogène et maintien en forme du pli; - une étape de consolidation. 30
5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'une étape d'empilement de plis est réalisée avant ou après formage pour réaliser un multipli.
6 - Procédé selon la revendication 1 appliqué à un thermoformage 3D d'un laminé caractérisé en ce que l'étape de mise en forme comprend: - une découpe des plis; - un empilement des plis plans; - une mise en place du pli sur un dispositif de cambrage partie de l'outillage de bridage; - un bridage du pli;
7 - Procédé selon la revendication 1 ou 6 appliqué à un thermoformage 3D d'un laminé caractérisé en ce que l'étape de déformation comprend: - un chauffage du laminé jusqu'à ramollissement de la résine; - un formage du laminé à l'aide de l'outillage final; - une étape de refroidissement homogène et maintien en forme du laminé; - une étape de consolidation.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'outillage final comprenant un mors mobile (3) de profil transversal coulissant par rapport à l'outil de bridage formant mors fixe (1), l'étape de déformation comporte une étape de pressage de la pièce entre le mors mobile et le mors fixe.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les plaques de matériau composite sont des plaques de matériau à fibres continues.
10 - Outillage de réalisation de pièces non développable selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un outil de bridage adapté à conformer la pièce selon une première courbure et un outil de pressage comportant un mors fixe (1) partie de l'outil de bridage et un mors (3) mobile par rapport à l'outil de bridage, le mors fixe et le mors mobile étant adaptés à déformer la pièce dans une direction non parallèle à la première courbure.
11 - Outillage de réalisation de pièces non développable selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte un outil de bridage adapté à conformer la pièce selon une première courbure et un outil de pressage comportant un mors fixe (1) partie de l'outil de bridage et unmors (3) mobile par rapport à l'outil de bridage, le mors fixe et le mors mobile étant adaptés à déformer la pièce en cisaillement par rapport à la première courbure.5