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FR3115047A1 - Structure fibreuse aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein - Google Patents

Structure fibreuse aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein Download PDF

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FR3115047A1
FR3115047A1 FR2010459A FR2010459A FR3115047A1 FR 3115047 A1 FR3115047 A1 FR 3115047A1 FR 2010459 A FR2010459 A FR 2010459A FR 2010459 A FR2010459 A FR 2010459A FR 3115047 A1 FR3115047 A1 FR 3115047A1
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Maxime HOUVENAGHEL
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Abstract

Structure fibreuse aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein Structure fibreuse (100) aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein comprenant : une âme (130) formée d’au moins deux couches (131, 132, 133, 134) de fibres aiguilletées entre elles, chaque couche comprenant des fibres continues ; etau moins une couche de fibres discontinues non tissées (111, 112) sur une face inférieure (120) ou supérieure (110) de l’âme. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Structure fibreuse aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication des disques de frein, et plus particulièrement la fabrication des préformes fibreuses annulaires de ces disques.
L’architecture de freinage des aéronefs la plus courante consiste en des freins à disques de friction positionnés à l’intérieur des roues. Il s’agit d’une alternance de rotors et de stators appelée généralement « Puits de chaleur », dans laquelle les rotors sont solidaires en rotation de la roue et les stators sont solidaires d’un tube de torsion fixe et de la tige sur laquelle est montée la roue.
Compte-tenu de leur faible densité, de leurs propriétés thermiques et de leurs performances de friction à hautes énergies, les matériaux composites C-C sont les plus utilisés. Ces matériaux composites comprennent un renfort fibreux et une matrice. Leur fabrication implique la réalisation de préformes annulaires épaisses à partir de fibres de carbone ou de polyacrylonitrile (PAN) oxydé. Les préformes sont ensuite carbonisées puis densifiées au carbone par des procédés tels que l’infiltration en phase vapeur ou l’imprégnation de liquides précurseurs de carbone, pour remplir les porosités de la préforme.
Le brevet FR 2 726 013 décrit par exemple un tel procédé de fabrication dans lequel des préformes annulaires en fibres de PAN oxydé ou en fibres de carbone sont fabriquées grâce à l’aiguilletage successif de nappes. Néanmoins, ce procédé de fabrication génère une quantité importante de chutes textiles aiguilletées, pouvant aller jusqu’à 50 % de la matière première engagée.
Il est donc souhaitable de disposer d’une structure fibreuse pour la réalisation de ces préformes fibreuses permettant de réduire la quantité de chutes textiles.
L’invention concerne une structure fibreuse aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein comprenant :
- une âme formée d’au moins deux couches de fibres aiguilletées entre elles, chaque couche comprenant des fibres continues ; et
- au moins une couche de fibres discontinues non tissées aiguilletée sur une face inférieure ou supérieure de l’âme.
L’aiguilletage des couches formant l’âme et de la couche de fibres discontinues non tissées (couche également appelée « non-tissée ») sur la couche inférieure et/ou supérieure de l’âme permet de donner à la préforme fibreuse la cohésion nécessaire pour éliminer les risques de délaminage lors des manipulations ultérieures de la préforme. Il permet également d’apporter une tenue mécanique interlaminaire aux disques de frein réalisés à partir de cette structure fibreuse.
Les fibres discontinues non tissées peuvent être issues de chutes textiles, ce qui permet de réduire le taux de matière première vierge à engager.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les fibres de chaque couche de fibres discontinues non tissées ont une longueur supérieure ou égale à 4 mm. Cette longueur permet un liage suffisant entre les couches fibreuses de l’âme et les couches de fibres discontinues non tissées présentes sur la face inférieure et/ou supérieure de l’âme.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées a une masse surfacique inférieure à 1700 g/m². Cela permet d’obtenir par la suite des renforts fibreux ayant une épaisseur appropriée pour les applications de freinage.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées a un taux volumique de fibres inférieur à 20 %. Le taux volumique de fibres est la fraction du volume apparent du feutre effectivement occupée par les fibres à l’état relaxé, c’est-à-dire avant compression dû à l’aiguilletage.
Ces valeurs de masse surfacique et de taux volumique de fibre permettent également de ne pas complexifier les étapes de densification de la préforme fibreuse obtenue à partir de la structure fibreuse selon l’invention.
Selon une autre caractéristique de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées est issue du recyclage de chutes textiles de fibres de polyacrylonitrile PAN oxydé ou de carbone.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une structure fibreuse aiguilletée selon l’invention comprenant :
- la réalisation par aiguilletage d’une âme de la structure fibreuse, l’âme comprenant au moins deux couches de fibres, chaque couche comprenant des fibres continues ; et
- l’aiguilletage d’au moins une couche de fibres discontinues non tissées sur au moins une face inférieure ou supérieure de l’âme.
Encore un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant une préforme fibreuse densifiée par une matrice, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- la fabrication d’une structure fibreuse aiguilletée destinée à former au moins une préforme fibreuse de la pièce par un procédé selon l’invention ;
- la formation d’une matrice dans la porosité de la structure fibreuse aiguilletée ; et
- l’élimination de chaque couche de fibres discontinues non tissées présente sur au moins une face inférieure ou supérieure de ladite âme.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’étape de fabrication comprend également une découpe de la structure fibreuse aiguilletée de manière à former une préforme fibreuse de la pièce.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une vue éclatée d’une structure fibreuse selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, un procédé de fabrication d’une structure fibreuse selon l’invention.
La figure 3 représente, de manière schématique et partielle, un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant une préforme fibreuse issue de la structure fibreuse selon l’invention.
La figure 4 représente, de manière schématique et partielle, une pluralité de préformes fibreuses issues de la structure fibreuse selon l’invention.
La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une vue éclatée d’une structure fibreuse 100 selon un mode de réalisation de l’invention.
La structure fibreuse 100 comprend une âme 130 ayant une face inférieure 120 et une face supérieure 110. L’âme 130 comprend quatre couches 131, 132, 133 et 134 fibreuses de fibres aiguilletées. Les couches 131 à 134 comprennent des fibres continues.
Une couche de fibres discontinues non tissées 111 est présente sur la face supérieure 110 de l’âme 130, et une autre couche de fibres discontinues non tissées 112 est présente sur la face inférieure 120 de l’âme 130. Les deux couches de fibres discontinues non tissées 111 et 112 sont aiguilletées respectivement sur la face inférieure 120 ou supérieure 110.
La structure fibreuse 100 peut être obtenue de différentes manières. Elle peut être issue d’une plaque fibreuse composée de couches de fibres dans laquelle sont découpées plusieurs structures fibreuses annulaires destinées à former des préformes annulaires.
Elle peut être obtenue par drapage, par exemple par superposition de couches fibreuses annulaires. Cela permet notamment d’obtenir une préforme à forme quasi définitive ou préforme « Near Net Shape », qui permet de ne pas avoir de découpe à part un usinage périphérique et central pour obtenir une préforme aux côtes souhaitées.
Elle peut encore être obtenue à partir d’une structure fibreuse hélicoïdale permettant alors d’obtenir une préforme annulaire par enroulement, de type « Near Net Shape » également.
Selon la forme de la pièce finale et/de la préforme fibreuse souhaitée, la forme et/ou les dimensions de la structure fibreuse sont adaptées. Par exemple, pour une pièce de forme annulaire, la structure fibreuse pourra avoir une forme annulaire ; ou pour une pièce de forme polygonale, la structure fibreuse pourra également avoir une forme polygonale.
La figure 2 représente de manière schématique et partielle un procédé de fabrication d’une structure fibreuse selon l’invention.
Le procédé de fabrication 200 comprend d’abord la réalisation par aiguilletage 201 de l’âme de la structure fibreuse, puis ensuite l’aiguilletage d’au moins une couche de fibres discontinues non tissées 202 sur la face inférieure et/ou supérieure de l’âme.
L’aiguilletage 201 des couches de l’âme peut être réalisé sur une machine d’aiguilletage de type plan selon le procédé décrit dans le brevet FR 2 726 013.
L’aiguilletage 201 des couches de l’âme peut également être réalisé sur une autre machine d’aiguilletage de type plan, ou encore une machine d’aiguilletage hélicoïdal.
L’aiguilletage 202 des couches de fibres discontinues sur la face inférieure et/ou supérieure de l’âme est réalisé après superposition de ces couches sur l’âme. Elles sont donc liées à l’une des faces de l’âme de la structure fibreuse uniquement après le passage sous l’aiguilleteuse. Comme pour l’étape 201, cet aiguilletage 202 peut être réalisé sur toute machine d’aiguilletage de type plan, ou sur une machine d’aiguilletage hélicoïdal.
La figure 3 représente de manière schématique et partielle un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comprenant une préforme fibreuse densifiée par une matrice selon l’invention. Le procédé 300 comprend d’abord la fabrication 301 d’une structure fibreuse aiguilletée destinée à former au moins une préforme fibreuse de la pièce par un procédé de fabrication tel que décrit précédemment. Puis, on forme une matrice 302 dans la porosité de la structure fibreuse aiguilletée. Enfin, on élimine chaque couche de fibres discontinues non tissées 303 présente sur au moins une face inférieure ou supérieure de l’âme de la structure fibreuse.
La fabrication 301 peut également comprendre une découpe de la structure fibreuse aiguilletée qui sera destinée à former une préforme fibreuse. La figure 4 donne un exemple de découpe de la structure fibreuse aiguilletée.
Dans l’exemple de la figure 4, on fabrique une structure fibreuse aiguilletée 400 en forme de plaque, puis on découpe cette plaque de manière à obtenir plusieurs structures fibreuses aiguilletées 410, 411, 412 et 413 destinées à former des préformes fibreuses. Dans l’exemple de la figure 4, ces structures fibreuses découpées sont de forme annulaire et pourront former des préformes fibreuses annulaires. La découpe de la structure fibreuse peut, par exemple, être réalisée par une presse à découper.
La formation de la matrice 302 dans la porosité de la structure fibreuse est réalisée de manière connue en soi. Elle peut ainsi être réalisée par voie liquide (imprégnation par une résine précurseur de la matrice et transformation par réticulation et pyrolyse, le processus pouvant être répété), ou par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur de la matrice), ou encore par infiltration à l’état fondu.
L’élimination 303 des couches de fibres discontinues non tissées permet d’obtenir une pièce en matériau composite constituée de couches structurelles formées au moins en partie de fibres continues et de garantir des propriétés homogènes de cette pièce dans son épaisseur (axe Z en figure 1).
Cette élimination 303 peut être réalisée par des opérations d’usinage. Par exemple, elle peut être réalisée sur un centre ou sur un tour d’usinage en utilisant des outils de coupe en diamant. Cette élimination permet d’usiner les faces inférieure et/ou supérieure du disque jusqu’à l’obtention de l’épaisseur de disque souhaitée au plan géométrique.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la structure fibreuse 100 ne comprend qu’une seule couche de fibres discontinues non tissées aiguilletée sur la face inférieure 120 ou supérieure 110 de l’âme 130.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le nombre de couches de fibres discontinues non tissées sur une des faces de l’âme 130 est supérieur à 1.
Selon une caractéristique particulière de l’invention, les fibres de chaque couche de fibres discontinues non tissées ont une longueur supérieure ou égale à 4 mm.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées a une masse surfacique inférieure à 1700 g/m².
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées a un taux volumique de fibres inférieur à 20 %.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées a un taux de fibres homogène dans le plan (plan formé par les axes X et Y de la figure 1). Cela permet d’obtenir par la suite un renfort fibreux le plus isotrope possible dans ce plan, notamment en termes d’épaisseur sous charge. Par exemple, pour une mesure d’épaisseur sous charge de 50 kPa d’une couche de fibres discontinues non tissées, le coefficient de variation mesuré pour cette couche ne devra pas excéder 20 %.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les fibres formant les couches de l’âme 130 sont en polyacrylonitrile PAN oxydé ou en carbone.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les couches de fibres formant l’âme 130 sont réalisées par des couches de tissus constituées de fils formés de fibres continues, ou sont constituées de plusieurs nappes de câbles unidirectionnelles disposées suivant différentes directions et liées entre elles par un aiguilletage léger.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les fibres discontinues non tissées sont en polyacrylonitrile PAN oxydé ou en carbone.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, chaque couche de fibres discontinues non tissées est issue du recyclage de chutes textiles de fibres de polyacrylonitrile PAN oxydé ou de carbone.
Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, les couches de fibres discontinues non tissées sont réalisées par voie sèche ou par un procédé de type Airlaid ou par voie papetière.
Selon un premier exemple de réalisation, la structure 100 comprend sur chacune des faces inférieure et supérieure de l’âme 130, deux couches de fibres discontinues non tissées de masse surfacique de 200 g/m². Ces deux couches sont fabriquées par voie sèche à partir de fibres recyclées issues de chutes textiles de PAN oxydé. Son âme 130 comprend 17 couches de fibres continues constituées de nappes unidirectionnelles superposées dans différentes directions et liées entre elles par un pré-aiguilletage. Par exemple, les 17 couches comprennent trois nappes orientées à 0°, +60° et -60°. Les deux couches de fibres discontinues sont aiguilletées sur les faces inférieure et supérieure au moment de leur positionnement sur ces faces.
Dans ce premier exemple, durant l’aiguilletage de l’ensemble, la pénétration initiale de l’aiguille est de 11,1 mm ± 0,25 mm et la densité d’aiguilletage est de 30 coups/cm² (-4/+2). Le pas de descente de l’aiguilletage est ajusté et non constant, il est défini par :
  • 2 pas de déplacement à 1,8 mm ± 0,05 mm ;
  • 10 pas de déplacement à 1,7 mm ± 0,05 mm ;
  • 5 pas de déplacement à 1,6 mm ± 0,05 mm ; et
  • 2 pas de déplacement à 0,1 mm ± 0,05 mm.
Selon un deuxième exemple de réalisation, la structure 100 comprend sur chacune des faces inférieure et supérieure de l’âme 130, une couche de fibres discontinues non tissées de masse surfacique de 1000 g/m². Comme précédemment, les couches de fibres discontinues sont fabriquées par voie sèche à partir de fibres recyclées issues de chutes textiles de PAN oxydé. L’âme 130 comprend 17 couches de fibres continues constituées de nappes unidirectionnelles superposées dans différentes directions, les nappes étant liées entre elles par un pré-aiguilletage. Les deux couches de fibres discontinues sont aiguilletées sur les faces inférieure et supérieure au moment de leur positionnement sur ces faces.
Dans ce second exemple, durant l’aiguilletage de l’ensemble, la pénétration initiale de l’aiguille est de 8,5 mm ± 0,25 mm et la densité d’aiguilletage est de 30 coups/cm² (-4/+2). Le pas de descente de l’aiguille est ajusté et non constant, il est défini par :
  • 6 pas de déplacement à 1,7 mm ± 0,05 mm ;
  • 6 pas de déplacement à 1,6 mm ± 0,05 mm ; et
  • 5 pas de déplacement à 1,5 mm ± 0,05 mm.
Selon un troisième exemple de réalisation, la structure 100 comprend sur chacune des faces inférieure et supérieure de l’âme 130, une couche de fibres discontinues non tissées de masse surfacique de 400 g/m². Comme précédemment, les couches de fibres discontinues sont fabriquées par voie sèche à partir de fibres recyclées issues de chutes textiles de PAN oxydé. L’âme 130 comprend 17 couches de fibres continues constituées de nappes unidirectionnelles superposées dans différentes directions, les nappes étant liées entre elles par un pré-aiguilletage. Les deux couches de fibres discontinues sont aiguilletées sur les faces inférieure et supérieure au moment de leur positionnement sur ces faces.
Dans ce troisième exemple, durant l’aiguilletage de l’ensemble, la pénétration initiale de l’aiguille est de 11,1 mm ± 0,25 mm et la densité d’aiguilletage est de 30 coups/cm² (-4/+2). Le pas de descente de l’aiguilletage est ajusté et non constant, il est défini par :
  • 2 pas de déplacement à 1,8 mm ± 0,05 mm ;
  • 10 pas de déplacement à 1,7 mm ± 0,05 mm ;
  • 5 pas de déplacement à 1,6 mm ± 0,05 mm ; et
  • 2 pas de déplacement à 0,1 mm ± 0,05 mm.
L’exemple illustré en figure 1 et le procédé décrit en figure 2 concerne une structure fibreuse pour la réalisation d’une préforme fibreuse annulaire de disque de frein, mais on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque la structure fibreuse est utilisée pour la réalisation d’une préforme fibreuse annulaire utilisable pour le moulage à forme quasi définitive, ou Near Net Shape en anglais.
Les densités d’aiguilletage, les pénétrations initiales de l’aiguille et les pas de descentes décrits dans les trois exemples précédents sont choisis selon les caractéristiques souhaitées aux renforts fibreux, compris dans la pièce finale en matériau composite, et obtenus à partir de la structure fibreuse de l’invention. Par exemple, ces caractéristiques peuvent être un taux de fibres selon l’axe Z, une épaisseur particulière de la pièce finale, une épaisseur particulière des couches de l’âme 130 de la structure fibreuse 100, un taux de fibres global, et/ou un grammage particulier pour la pièce finale ou les couches formant la structure fibreuse, etc…

Claims (8)

  1. Structure fibreuse (100) aiguilletée pour la réalisation de préforme fibreuse annulaire de disque de frein comprenant :
    • une âme (130) formée d’au moins deux couches fibreuses (131, 132, 133, 134) de fibres aiguilletées, chaque couche comprenant des fibres continues aiguilletées ; et
    • au moins une couche de fibres discontinues non tissées (111, 112) sur une face inférieure (120) ou supérieure (110) de l’âme.
  2. Structure fibreuse aiguilletée selon la revendication 1, dans laquelle les fibres de chaque couche de fibres discontinues non tissées ont une longueur supérieure ou égale à 4 mm.
  3. Structure fibreuse aiguilletée selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle chaque couche de fibres discontinues non tissées a une masse surfacique inférieure à 1700 g/m².
  4. Structure fibreuse aiguilletée selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque couche de fibres discontinues non tissées a un taux volumique de fibres inférieur à 20 %.
  5. Structure fibreuse aiguilletée selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque couche de fibres discontinues non tissées est issue du recyclage de chutes textiles de fibres de polyacrylonitrile PAN oxydé ou de carbone.
  6. Procédé de fabrication (200) d’une structure fibreuse aiguilletée selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 comprenant :
    • la réalisation (201) par aiguilletage d’une âme de la structure fibreuse, l’âme comprenant au moins deux couches fibreuses de fibres, chaque couche comprenant des fibres continues ; et
    • l’aiguilletage (202) d’au moins une couche de fibres discontinues non tissées sur au moins une face inférieure ou supérieure de l’âme.
  7. Procédé de fabrication (300) d’une pièce en matériau composite comprenant une préforme fibreuse densifiée par une matrice, le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
    • la fabrication (301) d’une structure fibreuse aiguilletée destinée à former au moins une préforme fibreuse de la pièce par un procédé selon la revendication 6 ;
    • la formation (302) d’une matrice dans la porosité de la structure fibreuse aiguilletée ; et
    • l’élimination (303) de chaque couche de fibres discontinues non tissées présente sur au moins une face inférieure ou supérieure de ladite âme.
  8. Procédé de fabrication d’une pièce selon la revendication 7, dans lequel l’étape de fabrication comprend également une découpe de la structure fibreuse aiguilletée (400) de manière à former une préforme fibreuse (410, 411, 412, 413) de la pièce.
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