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FR3049887A1 - Preforme pour materiaux composites comportant des angles resserres apres conformation - Google Patents

Preforme pour materiaux composites comportant des angles resserres apres conformation Download PDF

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FR3049887A1
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Benjamin Provost
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Abstract

Préforme comprenant plusieurs couches de renforts textiles déposées dans un moule (10) par une tête de dépose automatique et liées entre elles, qui peuvent être sèches ou pré-imprégnées, pour former une pièce en matériaux composites après cuisson d'une résine d'imprégnation, cette pièce présentant des pliages particuliers (4) réalisés par conformation de la préforme (2) après la dépose des couches de renfort, au niveau de ces pliages particuliers les couches de renfort comportant entre au moins certaines d'entre elles, un espacement ou une absence de liage.

Description

La présente invention concerne une préforme prévue pour former un matériau composite, comportant des rubans de carbone unidirectionnels superposés qui peuvent être secs ou imprégnés de résine, ainsi qu’un moule destiné à fabriquer une telle préforme, des procédés de fabrication de ces préformes, et une pièce en matériaux composites réalisée à partir de cette préforme.
Pour réaliser des éléments de structure résistants et légers, en particulier dans le domaine aéronautique, il est connu de préparer une préforme textile à partir de fibres sèches, notamment des fibres de carbone, par un drapage de rubans qui sont déposés successivement pour former des couches ou plis superposés.
La préforme est ensuite imprégnée d’une résine suivant un procédé de moulage de composite liquide appelé « LCM » (Liquid Composit Molding en langue anglaise), tel que le moulage par transfert de résine appelé « RTM » (Resin Transfert Molding en langue anglaise). En variante la préforme peut être réalisée avec des rubans pré-imprégnés de résine.
Après cuisson de la résine on obtient une pièce légère, comprenant des fibres dont la densité et l’orientation sont ajustées afin d’obtenir des caractéristiques de résistance mécanique élevées.
Dans les deux cas de préforme sèche ou de préforme pré-imprégnée, il est connu d’utiliser une tête de dépose qui délivre les rubans pour les déposer automatiquement sur le moule sous forme de couches successives superposées, en suivant le profilé de ce moule.
Cependant les têtes de dépose de l’art antérieur présentent un certain encombrement, ce volume occupé peut poser un problème d’accessibilité en empêchant la tête de descendre dans des creux du moule ou des zones trop accidentée.
Ce problème se pose en particulier dans le cas d’une pièce dont la section forme un angle suffisamment resserré. L’une des solutions est alors de draper automatiquement la préforme sur un moule présentant un angle plus ouvert, et de réaliser ensuite un conformage de cette préforme, qui referme cet angle de manière à obtenir la forme finale souhaitée.
Cette solution peut donner un résultat satisfaisant pour les pièces de faible épaisseur, notamment inférieure à 1mm, car au niveau de la zone de pliage la différence des longueurs développées des couches suivant l’épaisseur de la pièce est assez faible pour ne pas donner trop de différence de longueur entre les couches intérieures et extérieures.
Pour les pièces présentant une épaisseur plus importante, on a alors un risque de former des plissures ou bourrelets sur les couches intérieures du pliage comprenant une longueur développée trop grande par rapport à la longueur nécessaire sur la forme finale. Ces défauts réduisent les qualités mécaniques de la pièce car l’orientation et la rectitude des fibres est mal assurée. Pour pallier ce problème, une solution connue comporte la réalisation par drapage automatique de plusieurs préformes élémentaires de renfort fibreux dont les sections sont suffisamment évolutive pour contrer le phénomène d’augmentation du diamètre, et présentant une faible épaisseur, afin de réaliser ensuite une conformation de chacune de ces préformes qui se fait ainsi sans générer de bourrelet.
On superpose ensuite dans l’ordre l’ensemble de ces préformes, qui présentent chacune une forme particulière s’ajustant parfaitement sur celle de la couche précédente. On prend ainsi en compte pour chaque couche les écarts des pliages causés par son positionnement dans l’épaisseur de l’élément final.
Cette solution présente une absence de bourrelet sur la pièce finale obtenue, mais nécessite plusieurs opérations de transfert et de positionnement des préformes élémentaires les unes sur les autres, ce qui est long, complexe, et peut générer des défauts.
De plus si l’épaisseur finale du produit est importante, il peut être nécessaire de prévoir plusieurs moules différents permettant de réaliser les écarts de dimensionnement entre des couches éloignées, ce qui augmente les coûts.
La présente invention a notamment pour but d’éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet une préforme comprenant plusieurs couches de renforts textiles déposées sur un moule par une tête de dépose automatique et localement liées entre elles, qui peuvent être sèches ou prê-imprêgnêes, pour former une pièce en matériaux composites après cuisson d’une résine d’imprégnation, cette pièce présentant des pliages particuliers réalisés par conformation de la préforme après la dépose des couches de renfort, cette préforme étant remarquable en ce qu’au niveau des pliages particuliers les couches de renfort comportent entre au moins certaines d’entre elles, un espacement ou une absence de liage.
Un avantage de cette préforme est que les espacements formés entre les couches lors de la dépose automatique des couches superposées, permettent aux couches pendant la conformation finale de la préforme refermant l’angle des pliages particuliers, de se resserrer les unes vers les autres.
En prévoyant des espacements calculés en fonction des différences de longueur développée, suivant la position des couches dans l’épaisseur, la surlongeur pour chaque couche étant la résultante de sa position dans l’épaisseur et de l’angle de pliage, on obtient après le pliage final un ensemble de couches parfaitement superposées les unes sur les autres, sans plissure, ce qui donne un matériau composite de bonne qualité.
En variante le non-liage local des couches par un arrêt de la chauffe des rubans facilite le glissement des couches entre elles lors de la mise en forme, évitant ainsi de générer des bourrelets.
De plus ce procédé de fabrication comportant la dépose automatique de l’ensemble des couches dans un même moule, sans manipulation intermédiaire, est simple et économique.
La préforme selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
Selon un mode de réalisation, au niveau des pliages particuliers les couches de renfort reçoivent entre elles des inserts d’espacement. Ces inserts donnent facilement un espacement calibré entre les couches qui permet ainsi de gérer la longueur développée de ruban déposé.
Dans ce cas, les inserts d’espacement peuvent être prévus pour être retirés latéralement avant la conformation.
En variante les inserts d’espacement peuvent être prévus pour se dissoudre dans un solvant. Ces inserts sont retirés par une opération simple de lavage de la préforme dans le solvant.
Selon un autre mode de réalisation, les couches de renfort comportent un liant activé par la température, la préforme comprenant au niveau des pliages particuliers et en périphérie une partie où ce liant n'est pas activé, laissant ainsi les couches non-liés. L’invention a aussi pour objet un moule prévu pour réaliser une préforme comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, qui comporte au niveau des pliages particuliers un creux par rapport au rayon raccordant directement les parties adjacentes de ces pliages. Ce creux permet de compenser vers l’extérieur des pliages l’épaisseur supplémentaire donnée par la superposition des inserts d’espacement. L’invention a de plus pour objet un procédé de fabrication d’une préforme comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant une étape de dépose automatique de couches de renfort sur un moule, avec la dépose d’inserts d’espacement entre certaines de ces couches au niveau des pliages particuliers, puis une étape de retrait de ces inserts. L’invention a de plus pour objet un procédé de fabrication comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant une étape de dépose automatique de couches de renfort sur un moule par une tête de dépose, réalisant l'activation d'un liant entre ces couches en dehors d'une partie au niveau des pliages particuliers. L’invention a de plus pour objet une pièce en matériaux composites formée à partir d’une préforme imprégnée d’une résine, comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
En particulier la pièce en matériau composite peut constituer un élément d’une nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1a et 1b présentent en coupe transversale une préforme selon l’art antérieur, respectivement avant et après la conformation ; - la figure 2 présente en coupe transversale plusieurs préformes élémentaires fines préalablement conformées, puis superposées afin de réaliser une préforme épaisse selon l'art antérieur ; - la figure 3 présente en coupe transversale un moule pour réaliser une préforme selon l’invention ; - les figures 4a et 4b présentent les différentes couches de la préforme déposées sur le moule, respectivement avant et après la conformation ; - la figure 5 présente les différentes couches de la préforme déposées sur un moule suivant une variante ; - les figures 6a et 6b présentent une préforme suivant une autre variante, respectivement avant et après la conformation ; et - les figures 7a et 7b sont des vues de détail du pliage de cette préforme.
La figure la présente une préforme épaisse 2 comprenant une épaisseur constante qui peut comporter plusieurs millimètres, formée par la superposition de plusieurs couches de renforts textiles. La préforme 2 comporte des plis 4 formant un angle intérieur d’environ 140°, comprenant un petit rayon de raccordement.
La forme des plis 4 est donnée directement par la forme d’un moule 10 recevant les couches déposées successivement dessus par une tête de dépose automatique. Le pliage est limité à l’angle de 140° à cause de l’encombrement de la tête de dépose automatique, qui pourrait difficilement voire ne pourrait pas déposer des couches à l’intérieur d’un angle plus réduit.
Dans une opération suivante présentée figure 1b, on réalise une conformation de la préforme 2 comprenant le pliage des plis 4 pour obtenir un angle allant jusqu’à 80°. On obtient au niveau des plis 4, dans le plan de coupe, une longueur développée des couches intérieures qui est réduite par rapport à celle des couches extérieures.
Les plis des couches intérieures forment alors des bourrelets 6 ou plissures par un repoussement de la matière, qui constituent un désordre dans l’orientation des fibres, réduisant la résistance de la pièce.
La figure 2 présente une solution connue pour éviter la formation des bourrelets 6 lors de la fabrication d’une préforme épaisse 2 comprenant des plis accentués 4 proches de 90°.
On superpose sur un moule 10 une succession de préformes élémentaires minces 16 présentant chacune une épaisseur réduite, notamment inférieure à 1mm, pour réaliser la préforme épaisse 2.
De cette manière chaque préforme mince 16 est facile à réaliser par un procédé de drapage automatique de rubans dans un moule, suivie par une conformation pour former les plis accentués 4 sans risquer de générer des plissures à l’intérieur.
Toutefois il faut ensuite procéder à une opération de déposes successives de chaque préforme mince 16 sur le moule 10, ce qui est long et délicat, en particulier à cause de la précision nécessaire pour les ajuster, avec des risques d’erreur.
De plus on obtient sur certaines parties des différences de longueur notables suivant le niveau des préformes minces 16, qui sont présentées sur une partie droite comprenant une longueur X sur la couche inférieure 12 et une longueur Y nettement plus grande sur la couche supérieure 14. Ces différences de longueur obligent à prévoir des moules de drapage différents pour réaliser ces préformes.
La figure 3 présente un moule 10 prévu pour réaliser la préforme précédente 2 des figures la et 1b, qui comporte au niveau du pli 4 un léger creux 22 par rapport au rayon 20 raccordant directement les deux parties planes adjacentes 24 de cette préforme.
La figure 4a présente la dépose successive des couches superposées sur le moule 10, recevant au niveau du pli 4 entre certaines de ces couches, des inserts 26 plats et effilés sur les bords, qui maintiennent un petit espace entre ces couches au centre du pli, s’amenuisant vers les côtés.
On réalise ainsi un épaississement de la préforme 2 au niveau du pli 4, qui se réduit de chaque côté pour se terminer à la fin du pli.
Selon un premier mode de réalisation, les inserts 26 sont retirés sur les côtés après la formation de l’empilage des couches, pour laisser à la place des espaces vides.
Selon un deuxième mode de réalisation, les inserts 26 sont formés dans une matière qui peut se dissoudre dans un solvant, comme une mousse, par exemple après un lavage de la préforme avec ce solvant, pour de la même manière laisser à la place des espaces vides.
On réalise ensuite une conformation de la préforme 2, présentée figure 4b, qui va donner un resserrement des couches inférieures plus longues vers les couches supérieures.
En prévoyant un profil et une largeur adaptés pour chaque insert 26, on obtient un ajustement et un placage des couches les unes sur les autres qui donnent une préforme finale totalement compacte et régulière, avec une absence de plissure.
On notera qu’avec ce procédé de réalisation comprenant un creux 22 dans le moule 10, on a allongé la longueur développée des couches inférieures.
La figure 5 présente une variante pour obtenir une préforme 2 similaire, utilisant un moule 10 ne comportant pas de creux dans le pliage 4 par rapport au rayon 20 raccordant directement les parties adjacentes.
On dépose les couches successives en intercalant au niveau des plis 4 entre certaines de ces couches, des inserts 26 plats et effilé sur les bords. De la même manière on procède ensuite au retrait ou à la dissolution de ces inserts 26. Avec ce procédé on a raccourci la longueur développée des couches supérieures, en leur faisant prendre un parcours plus direct.
Enfin on réalise la conformation en pliant la préforme 2, qui va donner un resserrement des couches supérieures plus courtes sur les couches inférieures.
Les figures 6a et 7a présentent une préforme 2 plate, formée par la superposition de couches de rubans tissés imprégnés d’un liant.
La tête de dépose automatique des couches réalise pendant la dépose un chauffage des rubans afin de réaliser une activation du liant permettant de solidariser ces couches entre elles. On réalise cette activation sur l’ensemble de la surface, excepté sur une bande centrale 30 destinée à former le pliage.
On obtient une bande centrale 30 qui reste souple, avec une possibilité de déplacement accru dans l’épaisseur des couches entre elles.
Les figures 6b et 7b présentent la conformation de la préforme 2 qui est pliée suivant sa bande centrale 30, avec dans cette bande un arrangement des couches entre elles permis par l’absence de liage donnant une liberté de mouvement. Les couches vont former des courbes régulières se superposant pour absorber leurs différences de longueur développée.
On peut procéder ensuite au chauffage de la bande centrale 30 pour activer le liant des couches de cette bande afin de figer les formes. On obtient un pliage 4 qui ne comporte pas de plissure.
On peut en complément réaliser pour un même pli un mixage des différents procédés présentés ci-dessus.
Avantageusement on utilise ces procédés pour réaliser des éléments de structure de nacelle de turboréacteur pour des aéronefs, présentant des exigences importantes de résistance aux contraintes mécaniques, de légèreté et de tenue au vieillissement.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Préforme comprenant plusieurs couches de renforts textiles déposées sur un moule (10) par une tête de dépose automatique et liées entre elles, qui peuvent être sèches ou pré-imprégnées, pour former une pièce en matériaux composites après cuisson d’une résine d’imprégnation, cette pièce présentant des pliages particuliers (4) réalisés par conformation de la préforme (2) après la dépose des couches de renfort, caractérisée en ce qu’au niveau des pliages particuliers (4) les couches de renfort comportent entre au moins certaines d’entre elles, un espacement ou une absence de liage.
  2. 2. Préforme selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au niveau des pliages particuliers (4) les couches de renfort reçoivent entre elles des inserts d’espacement (26).
  3. 3. Préforme selon la revendication 2, caractérisée en ce que les inserts d’espacement (26) sont prévus pour être retirés latéralement avant la conformation.
  4. 4. Préforme selon la revendication 2, caractérisée en ce que les inserts d’espacement (26) sont prévus pour se dissoudre dans un solvant.
  5. 5. Préforme selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couches de renfort comportent un liant activé par la température, la préforme (2) comprenant au niveau des pliages particuliers (4) une partie (30) où ce liant n'est pas activé.
  6. 6. Moule prévu pour réaliser une préforme (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au niveau des pliages particuliers (4) un creux (22) par rapport au rayon (20) raccordant directement les parties adjacentes (24) de ces pliages.
  7. 7. Procédé de fabrication d’une préforme selon l’une quelconque des revendicationsi à 5, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de dépose automatique de couches de renfort sur un moule (10), comprenant la dépose d’inserts d’espacement (26) entre certaines de ces couches au niveau des pliages particuliers (4), puis une étape de retrait de ces inserts.
  8. 8. Procédé de fabritation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépose automatique de couches de renfort sur un moule (10) par une tête de dépose, réalisant Tactivation d'un liant entre ces couches en dehors d'une partie (30) au niveau des pliages particuliers (4).
  9. 9. Pièce en matériaux composites formée à partir d’une préforme (2) imprégnée d’une résine, caractérisée en ce que cette préforme est selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
  10. 10. Pièce en matériaux composites selon la revendication 9, caractérisée en ce qu’elle constitue un élément d’une nacelle de turboréacteur prévue pour un aéronef.
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