FR2995244A1

FR2995244A1 - Procede de realisation d'un profile en materiau composite presentant un angle rentrant a partir d'un empilage de couches de fibres

Info

Publication number: FR2995244A1
Application number: FR1258369A
Authority: FR
Inventors: Mattia Denis De
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-03-14
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: US20140072775A1; US9840063B2; CN103660309A; FR2995244B1; CN103660309B

Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite présentant un angle rentrant, ledit procédé comprenant les étapes consistant à empiler des couches de fibres pré-imprégnées d'une résine de manière à obtenir une préforme et à placer ladite préforme dans un outillage pour la soumettre à un cycle de polymérisation comprenant un cycle de température (85) avec une phase de montée en température et au moins un palier de maintien en température (96) ainsi qu'un cycle de pression (86) à l'extérieur de l'outillage avec une phase de montée en pression (90) et une phase de maintien en pression (92), les couches de fibres pré-imprégnées pouvant glisser les unes contre les autres lorsque la température du cycle de température (85) est égale ou supérieure à une température seuil Tf fonction de la résine, caractérisé en ce que la phase de montée en température du cycle de température comprend un palier de maintien (100) à une température supérieure ou égale à la température seuil Tf, ledit palier de maintien (100) commençant avant la fin de la phase de montée en pression (90).

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN PROFILE EN MATERIAU COMPOSITE PRESENTANT UN ANGLE RENTRANT A PARTIR D'UN EMPILAGE DE COUCHES DE FIBRES La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation d'un profilé en matériau composite présentant un angle rentrant à partir d'un empilage de couches de fibres. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de réalisation d'un cadre d'un fuselage d'un aéronef.

Selon un mode de réalisation illustré sur la figure 1, un cadre de fuselage 10 se présente sous la forme d'un profilé avec une section en Z, dont la portion centrale appelée âme 12 forme un anneau complet ou partiel. Le profilé comprend une première aile 14 dite aile intérieure disposée au niveau du bord intérieur de l'âme 12 et perpendiculaire à cette dernière et une seconde aile 16 dite aile extérieure disposée au niveau du bord extérieur de l'âme 12, également perpendiculaire à cette dernière. Un procédé de réalisation d'un tel cadre en matériau composite est décrit dans le document FR-2.928.295. Selon ce document, on réalise dans un premier temps une bande sensiblement rectangulaire à partir d'un empilage de trois nappes de fibres pré-imprégnées, chaque nappe ayant des fibres orientées selon une direction, la bande comportant des nappes avec des orientations de fibres différentes, une nappe 18 avec des fibres à 30°, une nappe 20 avec des fibres à 90° et une autre nappe 22 avec des fibres à 150°. bans un second temps, la bande de nappes de fibres est disposée sur un mandrin 24 en matériau déformable puis comprimée sur ce mandrin de manière à épouser sa forme. Le mandrin déformable est susceptible de se déformer entre une position rectiligne et une position courbe mais a une section transversale incompressible ou quasi incompressible. En suivant, la bande déformée disposée sur le mandrin en matériau déformable est mise en contact contre un outillage chauffé présentant en périphérie des sections radiales avec un profil complémentaire aux sections transversales du mandrin. Ainsi lors du cintrage, la bande est comprimée et subit une augmentation de température. Suite à la mise en place de cette première bande, on découpe une deuxième bande de trois nappes de fibres pré-imprégnées pour la disposer sur un autre mandrin déformable puis la comprimer sur ce dernier.

En suivant, cette deuxième bande déformée sur son mandrin en matériau déformable est mise en contact contre la première bande toujours en place sur l'outillage puis comprimée contre la première bande. Pour obtenir un cadre, il est nécessaire de rapporter comme précédemment plusieurs bandes les unes sur les autres, avant de polymériser l'ensemble ainsi 20 formé. En complément, des nappes avec des fibres orientées à 00 peuvent être rajoutées manuellement entre certaines bandes. Pour la suite de la description, on entend par préforme un volume de fibres pré-imprégnées ou non, découlant notamment de l'empilage de nappes, de couches, de 25 bandes de fibres, qui n'est pas encore polymérisé. Ce procédé de réalisation d'un cadre d'aéronef peut s'avérer problématique lors de l'empilage des bandes les unes sur les autres.

Cette problématique découle du fait que la préforme présente un angle rentrant, la surface de la préforme qui n'est pas en contact avec l'outillage comprenant une forme concave. Cette problématique est également présente lors de l'empilage de nappes pour obtenir un profilé rectiligne en matériau composite présentant un angle rentrant. En effet, lors de la dépose d'une couche sur un empilement de couches, il faudrait pour que les surfaces soient en contact sur toute la largeur du profilé que le premier point de contact soit situé au sommet de l'angle rentrant, pour ensuite appliquer en le déroulant un premier côté de la couche à empiler sur le côté correspondant de l'empilement réalisé puis à procéder de la même manière avec le second côté. Compte tenu de la « pégosité » des couches de fibres pré-imprégnées, dès que les couches sont en contact, il est très difficile de les décoller pour réajuster leurs positions. Par conséquent, il est très compliqué d'obtenir une préforme avec des couches en contact sur toute la largeur de la préforme. Cette difficulté est encore plus accentuée lorsque les couches ne sont pas rectilignes mais courbes comme dans le cas d'un cadre d'aéronef. Compte tenu de ces difficultés de mise en place, il peut apparaitre un défaut appelé pontage au niveau de l'angle rentrant, les deux couches 26, 26' n'étant pas plaquées l'une contre l'autre mais délimitant un espace 28 au niveau de l'angle rentrant comme illustré sur la figure 5A. Lorsque toutes les couches sont empilées, on obtient une préforme 30 de fibres pré-imprégnées qui doit subir un cycle de polymérisation pour obtenir une pièce en matériau composite. Comme illustré sur la figure 3, lors de ce cycle, la préforme 30 est positionnée dans un outillage comprenant un moule 32 sur lequel est positionnée la préforme et un habillage 34 qui recouvre la préforme. Selon un mode de réalisation, le moule 32 comprend des moyens pour extraire les gaz qui débouchent via au moins un orifice 36 au niveau d'une surface de dépose 38 sur laquelle est déposée la préforme, en dehors de la zone recouverte par la préforme, mais à une distance réduite de ladite zone. L'habillage 34 comprend : - une plaque de conformage 40, - des tissus drainants 42 prévus en périphérie de la préforme 30 et de la plaque de conformage 40, en contact avec la surface de dépose 38 au niveau des orifices 36 des moyens d'extraction des gaz, - un film de démoulage 44 recouvrant la plaque de conformage 40, - un feutre de drainage 46 qui recouvre la plaque de conformage 40 et les tissus drainants 42, et - une vessie 48 qui est reliée à la surface de dépose 38 via des moyens d'étanchéité 50 en périphérie des tissus drainants 42. Après la mise en place de cet habillage, la préforme subit un cycle de polymérisation à l'issue duquel les fibres sont noyées dans une matrice de résine.

Comme illustré sur la figure 4, le cycle de polymérisation comprend un cycle de température 52, un cycle de pression 54 à l'extérieur de la vessie et un cycle de mise sous vide 56 à l'intérieur de la vessie 48. Le cycle de température 52 comprend une montée en température, un maintien en température et une phase de refroidissement. Selon le mode opératoire illustré sur la figure 4, le cycle de température comprend deux paliers de température. Le cycle de pression 54 comprend une mise en pression, un maintien en pression et enfin une réduction de la pression jusqu'à la pression atmosphérique. Le cycle de mise sous vide 56 est déclenché au même moment que les cycles de température et de pression et maintenu jusqu'à la phase de refroidissement. La mise en pression étant nettement plus rapide que la montée en température, la vessie 48 transmet à la plaque de conformage 40 la pression maximale durant la majorité du temps de la montée en température.

Comme illustré sur la figure 5A, la plaque de conformage 40 exerce des efforts de compression 58 sur la première couche qui sont transmis de manière successive aux couches inférieures. En cas de défaut, comme illustré sur la figure 5A, ces efforts de compression 58 quasi normaux à la surface de contact créent des contraintes 60 de cisaillement inter-couches, notamment entre les couches 26,26' séparées par l'espace 28. Lorsque la température augmente, l'adhérence entre les couches diminue si bien qu'en raison des contraintes 60 de cisaillement inter-couches, un arrachement s'opère entre deux couches successives, ce qui conduit à la formation de plis 62 de fibres comme illustré sur la figure 5B. Ainsi, selon l'art antérieur, le défaut de type pontage lors de l'empilage des couches conduit à un défaut d'ondulations des fibres dans la pièce à l'issue du procédé de fabrication. La présence de ces ondulations de fibres dans la pièce en matériau composite 15 tend à réduire ses caractéristiques mécaniques. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur. Ainsi, l'invention propose un procédé de fabrication permettant de réduire l'apparition d'ondulations de fibres dans une pièce en matériau composite présentant un angle rentrant même si l'empilage de couches pour obtenir la 20 préforme conduit de manière inévitable à générer des pontages entre deux couches au niveau de l'angle rentrant. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite présentant un angle rentrant, ledit procédé comprenant les étapes consistant à empiler des couches de fibres pré-imprégnées d'une résine 25 de manière à obtenir une préforme et à placer ladite préforme dans un outillage pour la soumettre à un cycle de polymérisation comprenant un cycle de température avec une phase de montée en température et au moins un palier de maintien en température ainsi qu'un cycle de pression à l'extérieur de l'outillage avec une phase de montée en pression et une phase de maintien en pression, les couches de fibres pré-imprégnées pouvant glisser les unes contre les autres lorsque la température du cycle de température est égale ou supérieure à une température seuil Tf fonction de la résine, caractérisé en ce que la phase de montée en température du cycle de température comprend un palier de maintien à une température supérieure ou égale à la température seuil Tf, ledit palier de maintien commençant avant la fin de la phase de montée en pression. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue en perspective d'une portion d'un cadre d'un fuselage d'un aéronef, - La figure 2 est une vue en perspective d'un empilage de couches de fibres sur un mandrin déformable rectiligne avec un arrachement permettant d'illustrer l'orientation des fibres des couches empilées, - La figure 3 est une coupe transversale d'un outillage dans lequel est positionnée une préforme produite par l'empilage de couches de fibres, - La figure 4 est une représentation schématique de cycles de température, de pression et de mise sous vide lors d'un cycle de polymérisation selon l'art antérieur, - La figure 5A est une coupe d'une préforme illustrant un défaut de type pontage ainsi que les efforts générés par la pression extérieure lors d'une phase de montée en température lors d'un cycle de polymérisation selon l'art antérieur, - La figure 5B est une coupe de la préforme illustré sur la figure 5A illustrant la formation de plis lors d'un cycle de polymérisation selon l'art antérieur, - La figure 6 est une représentation schématique de cycles de température, de pression et de mise sous vide lors d'un cycle de polymérisation selon l'invention, - La figure 7A est une coupe d'une préforme illustrant un défaut de type pontage lors d'une phase de montée en température lors d'une phase de polymérisation selon l'invention, et - La figure 7B est une coupe de la préforme illustré sur la figure 7A illustrant la correction du défaut de pontage lors de la phase de polymérisation.

Sur la figure 7A, on a représenté en 70 une préforme de fibres pré-imprégnées obtenue par l'empilage de couches 72 de fibres. Par couche, on entend aussi bien une nappe de fibres qu'une bande comprenant plusieurs nappes. Pour la suite de la description, la plus grande dimension des couches correspond à la direction longitudinale. L'empilage des couches de fibres 72 est réalisé sur un moule 74 qui peut être utilisé également lors de la phase de polymérisation. Cette préforme 70 comprend au moins un angle rentrant 76, la surface de la préforme 70 qui n'est pas en contact avec le moule 74 comprenant une forme concave dans un plan de coupe perpendiculaire à la direction longitudinale. Compte tenu de la « pégosité » des couches de fibres pré-imprégnées, l'apparition d'un défaut 78 de type pontage apparait lors de l'empilage des couches 72 de manière quasi systématique. Ce défaut 78 de type pontage comprend un espace 80 entre deux couches successives 72a et 72b au niveau de l'angle rentrant 76. Ainsi, les couches 72a et 72b ne sont plus en contact l'une avec l'autre entre un premier point Pl situé d'un côté du sommet de l'angle rentrant et un point P2 situé de l'autre côté de l'angle rentrant. Entre ces points PI et P2, la longueur de l'arc de la couche 72a est plus grande que celle de l'arc de la couche 72b. Lors du cycle de polymérisation, la préforme 70 est disposée dans un outillage comprenant un moule 74 et un habillage. Cet outillage peut être identique à celui de l'art antérieur. Par conséquent, pour simplifier la représentation, seule la plaque de conformage 82 et la vessie 84 de l'habillage ont été représentées sur les figures 5A et 5B. Comme pour l'art antérieur, lorsque la pression augmente à l'extérieur de l'outillage, la vessie 84 exerce un effort de compression qui tend à plaquer la plaque de conformage 82 contre la préforme 70.

Comme illustré sur la figure 6, le cycle de polymérisation comprend un cycle de température 85 et un cycle de pression. be préférence, le cycle de pression comprend un cycle de pression 86 à l'extérieur de l'outillage et un cycle de mise sous vide 88 au niveau de la préforme 70 à l'intérieur de l'outillage dans la zone délimitée par le moule 74 et la vessie 84. Le cycle de pression 86 à l'extérieur de l'outillage commence à l'instant Ti et comprend une phase de montée en pression 90, une phase de maintien en pression 92 et une phase de retour à la pression atmosphérique 94. La montée en pression est très rapide si bien que l'instant Ti' correspondant au début de la phase de maintien en pression 92 est très proche de Ti. Le cycle de température 85 comprend une phase de montée en température, un ou plusieurs paliers 96 de maintien en température et une phase de refroidissement 98. La fin de la phase de maintien en pression 92 est déclenchée lorsque la résine s'est solidifiée et intervient lors de la phase de refroidissement 98. Ainsi, la fin de la phase de maintien en pression 92 est postérieure au début de la phase de refroidissement.

A titre d'exemple, lors de la phase de maintien en pression 92, la pression à l'extérieur de l'outillage est de l'ordre de 9 bar. Selon l'exemple illustré, le cycle de température 85 comprend deux paliers 96 et 96', l'un à 135°C et l'autre à 180°C. Pour donner un ordre de grandeur, les deux 5 paliers ont une durée de l'ordre de 120 à 180 min. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce nombre de paliers, ni à ces durées de paliers, ni à ces valeurs de pression et de température. Toutes ces caractéristiques sont ajustées par l'homme du métier en fonction notamment de la rhéologie de la résine. 10 Lors de la montée en température, lorsque la température est égale ou supérieure à une température seuil Tf fonction de la résine, les couches de fibres pré-imprégnées peuvent glisser les unes contre les autres sans plissement. Selon l'invention, la préforme est maintenue à une température de maintien 15 supérieure ou égale à la température seuil Tf avant la fin de la phase de montée en pression 90. Avantageusement, la température de maintien est inférieure à la température de début de polymérisation qui correspond approximativement à la température du premier palier de température 96 du cycle de température. be préférence, la préforme est maintenue à la température de maintien avant le 20 début du cycle de pression. Ainsi, selon invention, la phase de montée en température comprend un palier de maintien 100 à une température supérieure ou égale à la température seuil Tf mais de préférence inférieure à la température de début de polymérisation, ledit palier de maintien 100 commençant avant la fin de la phase de montée en 25 pression 90 et de préférence avant le début du cycle de pression 86. La température du palier de maintien 100 est de l'ordre de 80 °C. La durée du palier de maintien 100 préalablement au début du cycle de pression doit être suffisante pour obtenir une température homogène dans toute la préforme supérieure ou égale à la température seuil Tf. A titre d'exemple, la durée du palier de maintien 100 préalablement au début du cycle de pression 86 est supérieure ou égale à 30 min. Avantageusement, le cycle de mise sous vide 88 commence avant le début du cycle de pression 86 et de préférence en même temps que le cycle de température 85. Cette caractéristique permet de soumettre les fibres à des efforts de traction avant que les couches soient comprimées dans la mesure où les extrémités des fibres sont aspirées en périphérie de la préforme, et également, d'extraire l'air inclus dans les couches de la préforme.

Sur la figure 7A, on a représenté la préforme 70 lors du palier de maintien 100 avant le début du cycle de pression 86. bans ce cas, la vessie 84 et la plaque de conformage 82 n'exercent qu'un effort très faible sur la préforme 70 en raison de la mise sous vide. Ces efforts ne sont pas représentés dans la mesure où ils sont nettement inférieurs aux efforts de compression 102 exercés par la vessie 84 et la plaque de conformage 82 lors du cycle de pression 86. Pendant ce palier de maintien 100, on crée les conditions nécessaires pour que les couches 72 puissent glisser les unes par rapport aux autres comme illustré par les flèches 104. La mise sous vide permet d'exercer des efforts de traction 106 sur les fibres des couches.

Lorsqu'on déclenche le cycle de pression 86, la vessie 84 et la plaque de conformage 82 exercent des efforts de compression 102 sur la préforme. bans la mesure où la résine est suffisamment fluide, les couches peuvent glisser les unes par rapport aux autres, ce qui empêche l'apparition de plis qui sont susceptibles d'apparaître selon l'art antérieur. A l'issue de la polymérisation, les couches sont toutes plaquées les unes contre les autres sans défaut, à savoir sans espace et sans pli au niveau des angles rentrants. Selon l'invention, les défauts de pontage n'engendrent plus un nouveau défaut lors du cycle de polymérisation mais deviennent un avantage dans la mesure où les fibres subissent une faible tension résultant de l'effort de glissement qui se produit entre les couches. Grâce aux défauts de type pontage, les fibres sont toutes également tendues dans la préforme et les éventuelles sur-longueurs locales des fibres sont éliminées.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une pièce en matériau composite présentant un angle rentrant, ledit procédé comprenant les étapes consistant à empiler des couches (72) de fibres pré-imprégnées d'une résine de manière à obtenir une préforme (70) et à placer ladite préforme dans un outillage pour la soumettre à un cycle de polymérisation comprenant un cycle de température (85) avec une phase de montée en température et au moins un palier de maintien en température (96) ainsi qu'un cycle de pression (86) à l'extérieur de l'outillage avec une phase de montée en pression (90) et une phase de maintien en pression (92), les couches de fibres pré-imprégnées pouvant glisser les unes contre les autres lorsque la température du cycle de température (85) est égale ou supérieure à une température seuil Tf fonction de la résine, caractérisé en ce que la phase de montée en température du cycle de température comprend un palier de maintien (100) à une température supérieure ou égale à la température seuil Tf, ledit palier de maintien (100) commençant avant la fin de la phase de montée en pression (90).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le palier de maintien (100) commence avant le début du cycle de pression (86).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée du palier de maintien (100) préalablement au début du cycle de pression (86) est 20 suffisante pour obtenir une température homogène dans toute la préforme supérieure ou égale à la température seuil Tf.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la durée du palier de maintien (100) préalablement au début du cycle de pression (86) est supérieure ou égale à 30 min.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température du palier de maintien (100) est inférieure à la température du début de polymérisation.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit cycle de polymérisation comprenant un cycle (88) de mise sous vide à l'intérieur de l'outillage, ledit procédé étant caractérisé en ce que le cycle (88) de mise sous vide commence avant le début du cycle de pression (86).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'empilage des couches (72) de fibres pré-imprégnées générant un défaut de 10 type pontage au niveau de l'angle rentrant (76), ledit procédé étant caractérisé en ce que ledit défaut de pontage permet de tendre les fibres dans la préforme.
8. Pièce en matériau composite obtenue à partir du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.