FR3150460A1 - Procede de fabrication d’une piece en materiau composite avec element de renforcement et piece en materiau composite obtenue par un tel procede - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce (1) en matériau composite comportant un renfort fibreux (10) noyé dans une matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes de :- réalisation d’une première structure (11) et d’une deuxième structure (12) stratifiées comprenant une pluralité de couches de fibres superposées,- application de la deuxième structure sur la première structure,- imprégnation de la première structure et/ou de la deuxième structure par une matrice, et- densification de la première structure et de la deuxième structure de manière à obtenir une pièce en matériau composite rigide.
Selon l’invention, le procédé comprend une étape d’agencement d’au moins un élément de renforcement (14) comprenant des fibres en matériau thermoplastique à une interface interlaminaire (13) entre la première structure (11) et la deuxième structure (12) de manière à renforcer l’interface interlaminaire (13).
Figure pour l’abrégé : Fig.1
Description
La présente invention concerne le domaine des pièces en matériau composite à partir d’un renfort fibreux densifié par une matrice, notamment de pièces de turbomachine. Elle vise en particulier, les pièces réalisées à partir de structures stratifiées.
Les pièces en matériau composite sont de plus en plus employées pour améliorer leurs capacités de résistances thermomécaniques et de réduire leurs masses. Ces pièces en matériau composite trouvent leur application dans le domaine aéronautique, automobile, etc. où celles-ci sont exposées à des températures élevées.
Certains matériaux composites sont usuellement composés d’un renfort fibreux et d’une matrice. Le renfort fibreux peut être un agencement de plusieurs structures stratifiées qui sont de différentes formes et qui sont liées entre elles au niveau d’une ou de plusieurs interfaces interlaminaires. Un risque de délaminage ou de manque de tenue peut se présenter au niveau des interfaces interlaminaires, notamment lorsque la pièce est soumise à de fortes charges mécaniques.
Pour remédier à ces inconvénients, des résines tenaces ont été employées pour densifier le renfort fibreux. Les résines dites tenaces sont de manière générale chargées de microstructures et sont plus visqueuses, et/ou comprennent une formulation chimique adaptée. Cependant, une telle résine peut rendre difficile l’imprégnation des fibres du renfort fibreux. L’ensemble des différentes structures stratifiées peuvent être liées par une couture à l’aide de fils structuraux par exemple ce qui peut s’avérer couteux.
Il existe un besoin de résoudre tout ou partie des inconvénients précités.
L’objectif de la présente invention est de fournir une solution simple, économique et robuste qui permet de renforcer la jonction des structures fibreuses stratifiées.
Nous parvenons à cet objectif conformément à l’invention grâce à un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux noyé dans une matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes de :
- réalisation d’une première structure stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinée à former une peau de la pièce en matériau composite,
- réalisation d’une deuxième structure stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinées à former un raidisseur présentant une forme prédéterminée, le raidisseur s’étendant depuis une surface de la peau,
- application de la deuxième structure sur la première structure de sorte qu’au moins une partie de la deuxième structure soit en contact à une interface interlaminaire avec la première structure,
- imprégnation de la première structure et/ou de la deuxième structure stratifiée par une matrice polymérique, et
- densification de la première structure et de la deuxième structure stratifiées de manière à obtenir une pièce en matériau composite rigide,
le procédé comprenant une étape d’agencement d’au moins un élément de renforcement comprenant des fibres en matériau thermoplastique à l’interface interlaminaire entre la première structure et la deuxième structure de manière à renforcer l’interface interlaminaire.
- réalisation d’une première structure stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinée à former une peau de la pièce en matériau composite,
- réalisation d’une deuxième structure stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinées à former un raidisseur présentant une forme prédéterminée, le raidisseur s’étendant depuis une surface de la peau,
- application de la deuxième structure sur la première structure de sorte qu’au moins une partie de la deuxième structure soit en contact à une interface interlaminaire avec la première structure,
- imprégnation de la première structure et/ou de la deuxième structure stratifiée par une matrice polymérique, et
- densification de la première structure et de la deuxième structure stratifiées de manière à obtenir une pièce en matériau composite rigide,
le procédé comprenant une étape d’agencement d’au moins un élément de renforcement comprenant des fibres en matériau thermoplastique à l’interface interlaminaire entre la première structure et la deuxième structure de manière à renforcer l’interface interlaminaire.
Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, l’élément de renforcement en fibre thermoplastique permet de manière très simple d’augmenter la cohésion interlaminaire entre la première structure stratifiée et la deuxième structure stratifiée formant le renfort fibreux. Cela induit une amélioration significative de la tenue mécanique et du seuil de pelage de la pièce en matériau composite obtenue par ce procédé.
Le procédé comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le raidisseur présente une section transversale en I, T, C, U, J, L ou en Ω (en oméga majuscule).
- la matrice comprend une résine thermodurcissable.
- l’élément de renforcement présente une masse surfacique comprise entre 2 et 30 g/m2 et une perméabilité transverse d’au moins 5 % de sa surface.
- le matériau thermoplastique de l’élément de renforcement comprend un polyamide, un polyéthylène, un polyétherimide, un polyphénylène sulfide, un polyéthylène térephtalate ou une combinaison de ceux-ci.
- l’élément de renforcement comprend un liant chimique ou un liant organique et/ou des charges de nanotubes et/ou des fibres de carbone.
- l’élément de renforcement est fixé à au moins l’une des première et deuxième structures fibreuses à l’interface interlaminaire par exemple par une couture ou par collage.
- la deuxième structure comprend des pattes fibreuses destinées à former des pattes du raidisseur, chaque patte fibreuse s’étendant de part et d’autre d’une portion latérale qui est destinée à former une partie du corps du raidisseur.
- un ou plusieurs éléments de renforcement s’étendent sur la largeur de chaque patte fibreuse et de part et d’autre de la portion latérale de la deuxième structure.
- chaque patte fibreuse comprend deux couches qui s’étendent suivant des directions opposées et parallèlement à la direction de la première structure stratifiée.
- l’élément de renforcement comprend des couches de fibres qui s’étendent suivant la direction de la première structure et des couches de fibres qui s’étendent à l’intérieur de chaque portion latérale.
- l’élément de renforcement présente une forme en T renversé, l’élément de renforcement est situé entre les couches de chaque patte fibreuse et à l’interface interlaminaire.
- - l’élément de renforcement est configuré de manière à former un nœud de liaison dans lequel est logé un profilé fibreux.
- - le nœud de liaison présente une forme triangulaire.
- - l’élément de renforcement présente un logement destiné à accueillir une structure fibreuse.
- - l’élément de renforcement comprend un voile qui s’étend parallèlement à la première structure.
- - l’élément de renforcement comprend un profilé fibreux agencé entre le voile et une patte fibreuse.
-- l’élément de renforcement comprend un voile et un profilé fibreux agencé à au moins une extrémité d’une patte fibreuse.
-- le voile est disposé entre la première structure et un profilé fibreux.
- l’étape d’imprégnation est réalisée préalablement aux étapes de réalisation, préalablement à l’étape d’application ou postérieurement à l’étape d’application.
- la première structure et/ou la deuxième structure comprend(nent) des fibres pré-imprégnées.
- la première structure stratifiée et la deuxième structure stratifiée sont densifiées séparément et en ce que le procédé comprend une étape de fixation de la deuxième structure densifiée sur la première structure densifiée.
L’invention concerne également une pièce en matériau composite obtenue par un tel procédé. La pièce comprend une peau et au moins un raidisseur s’étendant depuis une surface de la peau, le raidisseur présentant une section transversale en forme I, T, C, U, L, J, ou Ω.
L’invention concerne une turbomachine d’aéronef équipée d’une telle pièce en matériau composite.
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
- la est une vue en perspective d’une pièce en matériau composite de turbomachine équipée de raidisseurs selon l’invention ;
- La est une vue schématique, de détail et en perspective d’un exemple de pièce en matériau composite comprenant un renfort fibreux noyé dans une matrice et présentant une forme complexe selon l’invention ;
- La est une vue en perspective d’un exemple de renfort fibreux ou préforme avec des structures stratifiées selon l’invention ;
- La illustre suivant une vue en coupe un renfort fibreux avec des structures stratifiées liées entre elles au niveau d’une interface interlaminaire selon l’invention ;
- La représente un autre exemple d’interface interlaminaire entre des structures stratifiées selon l’invention ;
- La illustre encore un autre mode de réalisation d’une interface interlaminaire entre des structures stratifiées d’un renfort fibreux selon l’invention ;
- La illustre encore un autre mode de réalisation d’une interface laminaire entre des structures stratifiées selon l’invention ;
- La est une vue en coupe d’un autre mode de réalisation d’une interface laminaire entre des structures stratifiées d’un renfort fibreux selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en I selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en J selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en T selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en L selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en C selon l’invention ;
- La représente une deuxième structure d’un renfort fibreux destiné à former un raidisseur en U selon l’invention ; et ,
- La représente un exemple d’ordinogramme d’un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite selon l’invention.
La représente une pièce 1 en matériau composite. La pièce 1 en matériau composite comprend une peau 2 et au moins un raidisseur 3. La pièce 1 est destinée à équiper une turbomachine. En particulier, la pièce 1 en matériau composite est sensiblement cylindrique (proche d’un tonneau) d’axe longitudinal X et comporte plusieurs raidisseurs 3. Sur la , la pièce 1 comprend plusieurs raidisseurs 3. Les raidisseurs 3 s’étendent autour de l’axe longitudinal X ou s’étendent suivant l’axe longitudinal, et s’élèvent radialement depuis la peau 2.
Bien entendu, la pièce 1 en matériau composite pourrait être employée dans divers domaines où des performances thermomécaniques et la réduction de masse sont requises, tels que l’automobile et l’astronautique.
La peau 2 peut être définie globalement dans un plan ou présenter une surface courbée comme c’est le cas sur la .
En référence à la , la peau 2 présente de manière avantageuse, mais non limitativement, une épaisseur e1 comprise entre 1 mm et 5 mm. De manière avantageuse, mais non limitativement, son épaisseur e1 est sensiblement constante suivant ses dimensions. L’épaisseur e1 est mesurée entre une première surface 2a et une deuxième surface 2b. L’épaisseur e1 est inférieure à la longueur L1 et à la largeur l1 de la peau 1. La longueur L1 représente la dimension la plus importante sur la .
Chaque raidisseur 3 s’étend depuis une des première surface 2a et deuxième surface 2b de la peau 2. Chaque raidisseur 3 permet de rigidifier et/ou d’apporter de la résistance mécanique à la peau 2 de manière à supporter des charges importantes et des températures élevées. Au moins un raidisseur 3 présente à cet effet une section transversale de forme prédéterminée telle qu’une forme en Ω (oméga majuscule), en I, en C, en U, en T. De manière alternative, au moins un raidisseur 3 présente une section transversale en forme de J ou de L.
La pièce 1 en matériau composite illustrée sur la , comprend un premier raidisseur 3a en I majuscule (avec des pattes à chaque extrémité), un deuxième raidisseur 3b en Ω, et un troisième raidisseur en J (avec une patte à une des extrémités). Le deuxième raidisseur 3b en Ω est disposé entre le premier raidisseur 3a et le troisième raidisseur 3c suivant l’axe longitudinal X. Une autre disposition de ces raidisseurs 3a, 3, 3c pourrait être envisageable.
La pièce 1 en matériau composite comprend en outre un quatrième raidisseur 3d et un cinquième raidisseur 3e qui s’étendent chacun suivant l’axe longitudinal X. Les quatrième et cinquième raidisseurs 3d, 3e présentent chacun une forme en Ω. Les quatrième et cinquième raidisseurs 3d, 3e sont placés de part et d’autre du deuxième raidisseur 3b. En particulier, le quatrième raidisseur 3d s’étend suivant l’axe longitudinal X entre le premier raidisseur 3a et le deuxième raidisseur 3b tandis que le cinquième raidisseur 3e s’étend suivant l’axe longitudinal X entre le deuxième raidisseur 3b et le troisième raidisseur 3c. D’autres quatrième et cinquième raidisseurs peuvent être disposés diamétralement à l’opposé de ceux-ci ou être régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal X.
De manière avantageuse, mais non limitativement, chaque raidisseur 3 présente une hauteur h1 (prise transversalement à la peau) comprise entre 5 et 100 mm. Chaque raidisseur 3 est globalement allongé et présente une longueur L2 sensiblement parallèle à la surface 2a depuis laquelle le raidisseur 3 s’étend. La longueur L2 est supérieure à une largeur l2 du raidisseur 3. La largeur l2 du raidisseur 3 (dans une direction parallèle à celle de la peau) peut être comprise entre 15 mm et 150 mm. Avantageusement, chaque raidisseur 3 présente une épaisseur comprise entre 1 mm et 7 mm.
Chaque raidisseur 3 formé présente un corps principal 4 et au moins une patte 5 qui est reliée à la peau 2. Le corps principal 4 s’étend à distance de la peau 2.
Dans le cas de la , le raidisseur a une forme en Ω. Plus précisément, le raidisseur en (Oméga) comprend un corps principal 4 et deux pattes 5a, 5b qui s’étendent transversalement du corps principal 4. Les deux pattes 5a, 5b sont reliées à la peau 2.
La hauteur du raidisseur en Ω est comprise entre 7 et 70 mm et la largeur est comprise entre 20 et 100 mm. Préférentiellement, la hauteur est de 7 mm et la largeur 40 mm ou la hauteur 70 mm et la largeur 50 mm.
De manière alternative, le raidisseur 3 présente une forme T ou en L avec un corps principal 4 et une seule patte 5. La patte 5 s’étend transversalement du corps principal 4 et est reliée à la peau 2. A titre d’exemple, la hauteur du raidisseur en T ou en L présente une hauteur qui est comprise entre 10 mm et 50 mm.
Dans le cas d’un raidisseur 3, notamment le premier raidisseur 3a ayant une section en forme de I comme représenté sur la , celui-ci comprend un corps principal 4 qui s’étend transversalement entre deux pattes 5a, 5b. Le corps principal 4 s’étend transversalement par rapport à la surface de la peau 2. Une des pattes 5 permet de relier le raidisseur en I à la peau 2. Avantageusement, les pattes 5a, 5b sont parallèles entre elles.
Dans le cas du troisième raidisseur 3c en forme de J en référence à la , celui-ci comprend un corps principal 4 qui s’étend transversalement depuis une seule patte 5. L’extrémité libre du raidisseur 3c présente une forme courbée. Le corps principal 4 s’étend transversalement par rapport à la surface de la peau 2.
La pièce 1 en matériau composite est réalisée à partir d’un renfort fibreux 10 et d’une matrice. Le renfort fibreux 10 comprend des fibres de carbone, de verre, de céramique, d’aramide (tel que le kevlar®), de polyamide ou un mélange de ces fibres. Préférentiellement, les fibres sont des fibres de carbone.
La matrice est de préférence une matrice organique. Celle-ci peut être une résine thermoplastique ou une résine thermodurcissable. Dans la présente description, les termes « résine » et « matrice » sont équivalents. La résine peut être à base d’époxyde, de vinylester, de polyester, du polybismaléimides (BMI). Préférentiellement, la résine est à base d’époxyde.
En référence aux figures 3 et 4, le renfort fibreux 10 comprend une première structure 11 stratifiée et une deuxième structure 12 stratifiée qui sont liées entre elles à une interface interlaminaire 13. La première structure 11 stratifiée est destinée à former la peau 2 de la pièce composite et la deuxième structure 12 stratifiée est destinée à former le raidisseur 3 de la pièce composite. Dans tous les cas, le renfort fibreux 10 comporte au moins deux structures fibreuses stratifiées 11, 12. Chaque première et deuxième structures stratifiées 11, 12 comprend au moins une couche de fibres. En particulier, chaque couche est composée de fibres tissées ou cousues pour constituer la première structure 11 (ou première préforme fibreuse) qui s’étend autour d’un axe de révolution (correspondant à l’axe longitudinal X) de la pièce 1 ou pour constituer la deuxième structure 12 (ou deuxième préforme fibreuse). Au moins une partie de la deuxième structure 12 s’étend en élévation transversalement d’une surface (la plus interne ou la plus externe) de la première structure 11 et au moins une partie de la deuxième structure 12 s’étend parallèlement à la surface de la première structure 11.
La première structure 11 stratifiée comprend plusieurs couches 11a, 11b ou plis superposés. Dans le présent exemple, la première structure 11 stratifiée comprend deux couches 11a, 11b superposées. De même, la deuxième structure 12 stratifiée comprend deux couches 12a, 12b superposées.
Chaque couche 11a, 11b, 12a, 12b de la première structure 11 et de la deuxième structure 12 peut comprendre des fibres longues ou courtes et/ou des fibres continues ou discontinues. Les fibres peuvent être orientées aléatoirement, dans toutes les directions, dans un plan. Les fibres longues discontinues sont connues sous l’acronyme anglais « DLF » pour « Discontinuous Long Fiber »).
Chaque couche 11a, 11b, 12a, 12b de la première structure 11 et de la deuxième structure 12 peut se présenter sous la forme d’un tissu, d’une tresse, d’une nappe ou de rubans de fibres unidirectionnelles, de fibres non tissées (connues sous l’expression anglaise « Non Crimp Fabrics » et siglée en anglais NCF), de mat ou autre.
Dans le cas d’un tissu, ce dernier peut être obtenu par un tissage bidimensionnel (2D), tridimensionnel (3D) ou multicouche. Nous entendons dans la présente invention par « tissage tridimensionnel » un tissage dans lequel certains fils de trame et fils de chaine sont liés sur plusieurs couches de trame. Le tissage tridimensionnel favorise une bonne liaison entre les couches et une bonne tenue mécanique de la préforme et par la suite de la pièce en matériau composite. Le tissage peut être réalisé à l’aide d’un métier à tissé de type jacquard bien connu avec des fils de trame et des fils de chaine.
De manière alternative, chaque couche 11a, 11b, 12a, 12b est obtenue par drapage.
Les fibres d’au moins l’une des couches 11a, 11b, 12a, 12b peuvent être imprégnées. La résine d’imprégnation peut être une résine polymérique, par exemple une résine thermodurcissable ou thermoplastique. Un exemple de résine thermoplastique d’imprégnation est un polyamide, un polyétheréthercétone, un polyéthercétonecétone, poly(sulfure de phénylène) ou un polyaryléthercétone. La résine thermodurcissable comprend par exemple un epoxyde ou un polyimide.
Le renfort fibreux 10 comprend au moins un élément de renforcement 14 qui est placé à l’interface interlaminaire 13 de la première structure 11 et de la deuxième structure 12. L’élément de renforcement 14 peut comprendre des fibres. De manière avantageuse, mais non limitativement, l’élément de renforcement 14 comprend un voile 14V de fibres coupées ou non coupées. Les fibres sont alors enchevêtrées les unes aux autres.
Alternativement, l’élément de renforcement 14 peut être obtenu par un tissage très fin.
Les fibres de l’élément de renforcement 14 sont réalisées dans un matériau polymère. De préférence, le matériau polymère est un thermoplastique. Avantageusement, mais non limitativement, le matériau thermoplastique peut être un polyamide, un polyétherimide, un polyéthylène, un polyphénylène sulfide, un polyéthylène térephtalate ou une combinaison de ceux-ci.
Suivant un mode de réalisation, l’élément de renforcement 14 peut comprendre un liant chimique et/ou des charges de nanotubes et/ou des fibres de carbone. Le liant chimique peut comprendre au moins un matériau polymère. Les nanotubes peuvent être recyclés de même que les fibres de carbone. Les nanoparticules peuvent être du type « core-shell rubber » qui sont dispersées dans une résine. Le liant permet de maintenir la forme de l’élément de renforcement 14. Quant aux charges, elles permettent d’une part, d’améliorer les propriétés mécaniques de l’élément de renforcement 14 et d’autre part, de garantir une bonne intégration entre les deux structures 11, 12.
Selon un autre mode de réalisation, l’élément de renforcement 14 peut comprendre un liant organique tel qu’une composition d’ensimage (par exemple comprenant des composés acryliques ou métacryliques ou amines) pour tenir les fibres entre elles.
Selon encore un autre mode de réalisation, les nanotubes de carbone sont dispersés parmi les fibres de l’élément de renforcement ou sont greffés radialement aux fibres de l’élément de renforcement 14. Notamment les nanotubes de carbone peuvent être développés autour des fibres de l’élément de renforcement 14 grâce aux techniques de la société N12 technologies.
L’élément de renforcement 14 peut présenter une hauteur (suivant une direction perpendiculaire à la surface de la première structure 11) comprise entre 5 µm et 0,7 mm. De préférence, la hauteur est comprise entre 5 µm et 50 µm.
Suivant une autre caractéristique, l’élément de renforcement 14 présente une masse surfacique comprise entre 2 et 30 g/m2. L’utilisation d’un matériau à fin grammage permet de minimiser la masse de l’élément de renforcement 14. De manière avantageuse, mais non limitativement, l’élément de renforcement 14 présente une perméabilité transverse au fluide, ici la résine, d’au moins 5 % de sa surface et préférentiellement au moins 10%. Cette configuration permet une imprégnation rapide de l’élément de renforcement 14 par la résine.
En référence à la qui représente schématiquement une deuxième structure 12 en forme d’oméga, l’élément de renforcement 14 (ici un voile 14V) est disposé entre chaque patte fibreuse 15 de la deuxième structure stratifiée 12, et la première structure stratifiée 11. Chaque patte fibreuse 15 est destinée à former la patte 5 du raidisseur 3. Au moins une partie des couches fibreuses de la deuxième structure 12 s’étend en élévation transversalement à la surface générale de la première structure 11 et est prolongée de façon continue par au moins une partie de la deuxième structure 12 s’étendant parallèlement à la surface générale de la première structure 11. Chaque patte fibreuse 15 s’étend vers l’extérieur de la portion destinée à former le corps du raidisseur 3. Chaque voile 14V s’étend suivant la largeur de chaque patte fibreuse 15 et présente la même longueur que celle-ci.
De manière avantageuse, le voile 14V peut être fixé à l’une des structures fibreuses 11 (respectivement 12) contre l’interface interlaminaire 13 avec l’autre structure fibreuse 12 (respectivement 11). La fixation peut être réalisée par couture ou stitching en anglais. Dans ce cas, des fibres de carbone, de verre, d’aramide ou de polyester ou du même thermoplastique constitutif des première et deuxième structures 11, 12, peuvent être utilisées pour réaliser cette couture. La fixation peut encore être réalisée par collage au moyen d’un adhésif.
La illustre un autre agencement du renfort fibreux 10. La deuxième structure 12 comprend des ensembles de fibres s’étendant transversalement à la surface générale de la première structure 11 et se prolongeant de façon continue en deux parties s’étendant parallèlement à la surface générale de la première structure 11 dans des directions opposées à la base du raidisseur 3. En particulier, dans l’exemple illustré, chaque patte fibreuse 15 s’étend de part et d’autre d’une portion latérale 16 de la deuxième structure 12 qui est destinée à former une partie du corps du raidisseur 3. De la sorte, chaque portion latérale 16 de la deuxième structure 12 et patte fibreuse 15 présente une section transversale sensiblement (l’une des branches du T pouvant être plus courte) en forme de T. Cette forme est obtenue par le pliage d’au moins une couche, ici de la couche 12b. Ici, la couche 12b présente des portions 12ba, 12bb s’étendant vers l’intérieur et l’une vers l’autre. La couche 12a présente des portions 12aa, 12ab s’étendant vers l’extérieur. Chaque couple de portion 12aa, 12ba ou 12ab, 12bb forment une patte fibreuse 5. Le voile 14V de l’élément de renforcement 14 s’étend sur toute la largeur de chaque patte fibreuse 15 et de part et d’autre de chaque portion latérale 16. En d’autres termes, il y a un seul élément de renforcement 14 pour chaque patte fibreuse 15 et chaque élément de renforcement 14 s’étend vers l’intérieur de la partie de corps fibreux et vers l’extérieur du corps ainsi qu’à l’interface interlaminaire 13.
La représente un autre agencement du renfort fibreux 10. Ce mode de réalisation diffère de celui de la en ce que l’élément de renforcement 14 présente une forme générale en T renversé. Autrement dit, l’élément de renforcement 14 comprend des couches ou zones étendues de fibres 14a, 14b, 14c qui s’étendent ici dans le plan de la première structure 11 (ou suivant la direction de la première structure 11) et des couches de fibres qui s’étendent à l’intérieur de la portion latérale du corps principal. Ainsi l’élément de renforcement 14 est agencé de manière à former un nœud de liaison 17. En particulier, trois couches ou zones étendues de fibres 14a, 14b, 14c de l’élément de renforcement 14 se rejoignent au niveau du nœud de liaison 17. Avantageusement, mais non limitativement le nœud de liaison 17 présente une forme triangulaire.
Comme illustré à la , ce nœud de liaison 17 peut être lui-même rempli d’une structure fibreuse complémentaire. En d’autres termes, le nœud de liaison 17 est configuré de manière à former un logement. La structure fibreuse complémentaire peut se présenter sous forme d’un profilé fibreux 18 de forme complémentaire avec le nœud de liaison 17. Ici le profilé fibreux 18 comprend une section triangulaire. Avantageusement, mais non limitativement, le profilé fibreux 18 peut être réalisé à partir de fibres continues longitudinales ou discontinues. Les fibres peuvent être des fibres coupées enchevêtrées, des fibres continues tressées, et/ou être composés de plusieurs fils de fibres tissées formant un toron (roving en anglais). De manière avantageuse, mais non limitativement, le profilé fibreux 18 peut être fait de fibres thermoplastiques de même nature que l’élément de renfort 14 ou de fibres de verre, d’aramide ou de fibres de carbone.
Dans l’exemple de la , la couche 12b est continue. Les portions 12ba, 12bb sont reliées entre elles. Bien entendu, les portions 12ba et 12bb peuvent être agencées de manière similaire à celle de la , soit séparées l’une de l’autre.
La représente encore un autre mode de réalisation du renfort fibreux 10. L’interface interlaminaire 13 est représentée en détail. Dans ce mode de réalisation, chaque patte fibreuse 15 est formée par le prolongement de quatre couches de la deuxième structure 12 stratifiée. Avantageusement, chaque patte fibreuse 15 comprend deux couches 15a, 15b, 15c, 15d qui s’étendent suivant des directions opposées et parallèles à la direction de la première structure stratifiée 11. L’élément de renforcement 14 est situé entre les pattes fibreuses 15 et la première structure 11, et est défini dans un plan parallèle à celui de la première structure stratifiée 11 (ou suivant la direction de la première structure). L’élément de renforcement 14 comprend ici deux voiles, représentés 14V, 14V’ pour chaque portion latérale 16 de la deuxième structure 12. Bien entendu, un seul voile 14V de l’élément de renforcement 14 peut s’étendre sur toute la largeur de chaque patte fibreuse 15. Dans ce mode de réalisation, chaque voile 14V, 14V’ est cousu aux première et deuxième structures stratifiées 11, 12. Bien entendu, la première structure 11, la deuxième structure 12 et les voiles 14V’, 14V’’ sont assemblés préalablement.
La représente un autre mode de réalisation du renfort fibreux 10. Ce mode de réalisation diffère de celui de la en ce que l’élément de renforcement 14 présente une section en forme générale de T renversé. L’élément de renforcement 14 est installé entre les couches opposées des pattes fibreuses 15 et à l’interface interlaminaire 13. En particulier, l’élément de renforcement 14 comprend des couches de fibres ou zones étendues de fibres 14a, 14b, 14c s’étendant transversalement à l’intérieur de couche de la portion latérale de la deuxième structure 12 et des couches s’étendant entre la patte fibreuse 5 et la première structure 11. L’élément de renforcement 14 comprend un profilé fibreux 18 longitudinal disposé à la croisée des trois zones étendues de fibres 14a, 14b, 14c de l’élément de renforcement 14. Le profilé fibreux 18 peut être avantageusement constitué de fibres de verre, d’aramide ou de fibres de carbone et réalisé par procédé de tressage ou tissage matriciel. Le profilé fibreux 18 peut se présenter sous la forme de torons ayant plusieurs fils de fibres tissés. L’élément de renforcement 14 peut être avantageusement cousu avec le profilé fibreux 18 longitudinal et peut aussi être cousu à l’une ou l’autre des première et deuxième structures 11, 12 préalablement à l’assemblage des différentes structures stratifiées.
D’autres exemples de renfort fibreux 10 pour réaliser des raidisseurs 3 en forme de I, T, C, U, J, ou L et une peau 2 sont représentés sur les figures 9 à 14.
En référence à la , la deuxième structure 12 est destinée à former un raidisseur en I avec deux pattes à chaque extrémité du corps principal et dont l’une des pattes permet de relier le raidisseur en I à la peau 2. La deuxième structure 12 comprend des pattes fibreuses 15 qui sont situées à chaque extrémité du corps fibreux principal formant le corps principal 4 du raidisseur. Le corps fibreux principal et les pattes fibreuses 15 sont formées à l’aide de trois couches 12a, 12b, 12c. Chaque couches 12a, 12b est pliée pour former des portions 12ab, 12ba, 12ba, 12bb. Ces portions 12ab, 12ba, 12ba, 12bb s’étendent vers l’extérieur du corps fibreux principal et de manière parallèle les unes des autres. Ces portions 12ab, 12ba, 12ba, 12bb sont également parallèles à la première structure 11. La couche 12c s’étend parallèlement à la première structure 11 et forme avec les portions 12ba, 12bb de chaque couche 12a, 12b une patte fibreuse 15 (non reliée à la première structure 11). L’élément de renforcement 14 comprend un voile 14V qui est disposé entre une patte fibreuse 15 (formée ici des portions 12ab et 12ba de chaque couche 12a, 12b) de la deuxième structure 12, et la première structure 11. Le voile 14V s’étend suivant la largeur de chaque patte fibreuse 15, parallèlement à la première structure 11 et présente sensiblement la même longueur que les pattes fibreuses 15. Un profilé fibreux 18 est disposé d’une part, entre chaque couche 12a, 12b et d’autre part, entre le voile 14V et la patte fibreuse 15 qui est destinée à être reliée à la première structure 11. L’autre profilé fibreux 18 est disposé d’une part, entre chaque couche 12a, 12b et d’autre part, entre la couche 12c et la patte fibreuse 15 (opposée à la première structure 11).
La représente une deuxième structure 12 destinée à former un raidisseur en J avec une seule patte permettant de relier le raidisseur à la peau 2. La deuxième structure 12 comprend deux couches 12a, 12b. Chaque couche 12a, 12b présente des portions 12ab, 12bb qui s’étendent dans la même direction pour former l’extrémité libre du raidisseur et des portions 12aa, 12ba qui s’étendent suivant des directions opposées pour former au moins en partie la seule patte fibreuse 15. Les portions 12ab et 12bb peuvent présenter une forme courbée. Un voile 14V est disposé entre la patte fibreuse 15 et la première structure 11. Avantageusement, l’élément de renforcement 14 comprend un profilé fibreux 18 qui est disposé d’une part, entre chaque couche 12a, 12b et d’autre part, entre le voile 14V et la patte fibreuse 15 destinée à être reliée à la première structure 11.
La représente une deuxième structure 12 destinée à former un raidisseur en T avec une seule patte permettant de relier le raidisseur à la peau 2. La deuxième structure 12 comprend deux couches 12a, 12b. Chaque couche 12a, 12b est pliée pour former une portion 12aa, 12ba s’étendant vers l’extérieur du corps fibreux principal pour former la seule patte fibreuse 15. En d’autres termes, les portions 12aa, 12ba s’étendent suivant des directions opposées et parallèlement à la première structure 11. Un voile 14V est disposé entre la patte fibreuse 15 et la première structure 11. Avantageusement, un profilé fibreux 18 est disposé d’une part, entre chaque couche 12a, 12b et d’autre part, entre le voile 14V et la patte fibreuse 15 destinée à être reliée à la première structure 11.
La représente une deuxième structure 12 destinée à former un raidisseur en L avec une seule patte permettant de relier le raidisseur à la peau 2. La deuxième structure 12 comprend deux couches 12a, 12b. Chaque couche 12a, 12b est pliée pour former une portion 12aa, 12ba s’étendant vers l’extérieur du corps fibreux principal pour former la seule patte fibreuse 15. Les portions 12aa, 12ba s’étendent suivant les mêmes directions et parallèlement à la première structure 11. Un voile 14V est disposé entre la patte fibreuse 15 et la première structure 11. Avantageusement, mais non limitativement, un profilé fibreux 18 est disposé d’une part à une extrémité des portions 12aa, 12ba (ou de la patte fibreuse 15). Préférentiellement, le profilé fibreux 18 est placé au niveau du pliage des couches pour former les portions 12aa, 12ba. Le voile 14V peut s’étendre en dessous du profilé fibreux dans le plan de la .
La représente une deuxième structure 12 destinée à former un raidisseur en C avec deux pattes fibreuses dont une seule permettant de relier le raidisseur à la peau 2. Chaque couche 12a, 12b de la deuxième structure 12 est pliée pour former deux portions 12aa, 12ba qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre et qui sont reliées à la première structure 11. Les portions 12aa, 12ba s’étendent parallèlement à la première structure 11 et forment une patte fibreuse 15 reliée à la première structure 11. Chaque couche 12a, 12b est également pliée pour former deux portions 12ab, 12bb qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre et à l’opposé de la première structure 11. Les portions 12aa, 12ba, 12ab, 12bb s’étendent suivant les mêmes directions et parallèlement à la première structure 11. Un voile 14V est disposé entre la patte fibreuse 15 et la première structure 11. Avantageusement, mais non limitativement, un profilé fibreux 18 est disposé à une extrémité des portions 12ba, 12aa (ou de la patte fibreuse 15). Préférentiellement, le profilé fibreux 18 est placé au niveau du pliage des couches pour former les portions 12aa, 12ba. Le voile 14V peut s’étendre en dessous du profilé fibreux dans le plan de la .
La représente une deuxième structure 12 destinée à former un raidisseur en U. Le raidisseur en U comprend un corps principal 4 et une seule patte 5 reliée à la peau 2. Le corps principal présente deux branches qui s’étendent transversalement par rapport à la peau 2. Les branches sont ici parallèles entre elles. La seule patte fibreuse 15 s’étend transversalement entre les deux branches du corps principal. Pour réaliser ce raidisseur, la deuxième structure 12 comprend deux couches 12a, 12b qui sont pliées pour former deux portions 12aa, 12ba qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre et qui sont reliées à la première structure 11. Les portions 12aa, 12ba s’étendent parallèlement à la première structure 11 et forment une patte fibreuse 15 reliée à la première structure 11. Les couches 12a, 12b forment également deux branches fibreuses qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre et à distance transversalement de la première structure 11. Un voile 14V est disposé entre la patte fibreuse 15 et la première structure 11. Avantageusement, un profilé fibreux 18 est disposé d’une part à chaque extrémité de la patte fibreuse 15 destinée à être reliée à la première structure 11. Le voile 14V peut s’étendre en dessous du profilé fibreux 18 dans le plan de la .
Nous allons maintenant décrire en détail le procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite. Ce procédé est représenté dans un ordinogramme de la .
Le procédé 100 comprend une étape de réalisation 101 d’une première structure 11 stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées. Dans notre exemple de réalisation la première structure 11 est destinée à former la peau 2 de la pièce 1 en matériau composite. Les couches sont superposées les unes sur les autres.
Le procédé comprend une étape de réalisation 102 d’une deuxième structure 12 stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées. Cette deuxième structure 12 est destinée à former le raidisseur 3 présentant une forme prédéterminée. Comme nous l’avons vu précédemment, le raidisseur 3 présente une section transversale en forme de I, T, C, U, L, J ou en Ω.
Le procédé comprend une étape de mise en place 103 de la première structure 11 dans un moule non représenté. De manière alternative, la première structure 11 est formée dans le moule, c’est-à-dire que les différentes couches sont mises en superposition dans le moule. Dans ce cas, le moule présente la forme de la première structure 11.
Le procédé comprend une étape d’application 104 de la deuxième structure 12 sur la première structure 11 de sorte qu’au moins une partie de la deuxième structure soit en contact à une interface interlaminaire 13 avec la première structure 11. En particulier, les pattes fibreuses 15 sont mises en contact avec la première structure 11, et plus précisément encore de la couche supérieure. Les deux structures stratifiées 11, 12 assemblées forment le renfort fibreux 10. Dans le cas de la deuxième structure 12 en forme de Ω, la deuxième structure 12 comprend des pattes fibreuses 15 qui sont en appui sur la première structure 11. Avantageusement, l’étape d’application a lieu dans le moule où est mise en place la première structure 11. De manière alternative, la deuxième structure 12 est mise en forme dans un autre moule puis celle-ci est disposée après sa mise en forme sur la première structure 11. Dans ce cas, le moule a la forme de la deuxième structure (en I, T, C, U, L, J ou en Ω).
De manière optionnelle, un élément de maintien (non représenté) permettant de conserver la forme de la deuxième structure 12 est mis en place dans le moule lors de l’assemblage de la première structure 11 et de la deuxième structure 12. L’élément de maintien est solide ou rigide et pourra rester en place jusqu’à la densification de la pièce en matériau composite.
Le procédé comprend une étape d’agencement 105 d’un élément de renforcement 14 comprenant des fibres en matériau thermoplastique à l’interface interlaminaire 13 entre la première structure 11 et la deuxième structure 12. L’étape d’agencement 105 a lieu de manière avantageuse, préalablement à l’étape d’application 104. L’élément de renforcement 14 est agencé entre les pattes fibreuses 5 et la première structure stratifiée 11. Chaque élément de renforcement 14 présente une largeur sensiblement égale (plus ou moins 0,5 mm) à la largeur de chaque patte fibreuse 15 ainsi qu’une longueur sensiblement égale (plus ou moins 0,5 mm) à la longueur de chaque patte fibreuse 5. Dans le cas où l’élément de renforcement 14 est agencé de manière à former un espace de forme triangulaire ou la zone de liaison de forme triangulaire, un élément profilé fibreux 18 peut être agencé dans cette espace pendant l’étape d’agencement 15 ou ultérieurement à cette étape 105.
Le procédé comprend une étape d’imprégnation 106 de la première structure 11 et/ou de la deuxième structure 12. Suivant une variante de réalisation, l’étape d’imprégnation 106 est réalisée par injection d’une matrice selon la technologie RTM, cet acronyme signifiant en anglais Resin Transfert Moulding pour moulage par transfert de résine, afin d’y réaliser une densification ultérieure du renfort fibreux 10 et obtenir la pièce en matériau composite souhaitée. La matrice est injectée dans un moule comprenant la première structure 11 et la deuxième structure 12 formant le renfort fibreux 10 ainsi que l’élément de renforcement 14. Ce dernier est dans ce cas un renfort fibreux sec. Cela permettra d’obtenir la pièce en matériau composite en peu d’opérations, voire en une seule opération.
Le procédé comprend une étape de densification 107 de la première structure 11 et/ou de la deuxième structure 12 de manière à obtenir la pièce en matériau composite rigide. Lors de cette étape de densification 107, le renfort fibreux 10 subit un traitement thermique qui va permettre de réticuler et de durcir la matrice. De manière générale, et dans le cadre de la technique RTM, la densification a lieu dans le même moule d’injection de la matrice et éventuellement parallèlement à l’étape d’imprégnation. En d’autres termes, la première structure 11 et la deuxième structure 12 ainsi que l’élément de renforcement 14 sont densifiées en même temps.
Suivant un mode de réalisation, l’étape d’imprégnation 106 a lieu préalablement à l’étape de réalisation 101, 102 de la première structure 11 et de la deuxième structure 12. C’est notamment le cas où les fibres sont pré-imprégnées d’une matrice. Suivant encore une autre alternative, les fibres de chaque première et deuxième structures 11, 12 sont imprégnées avec la matrice après les étapes respectives de réalisation 101, 102 et sont compactées pour obtenir leur forme. Les structures stratifiées 11, 12 sont compactées respectivement dans un moule. L’étape de densification 107 est réalisée pour durcir la matrice qui imprègne les fibres. Bien entendu, l’élément de renforcement 14 est agencé préalablement entre les deux structures 11, 12 avant la densification.
Suivant un autre mode de réalisation, la première structure 11 stratifiée et la deuxième structure 12 stratifiée sont respectivement imprégnées par une matrice et densifiées. En d’autres termes, la première structure 11 est solidifiée ou densifiée séparément de la deuxième structure 12. Dans ce cas de figure, le procédé comprend un étape de fixation de la deuxième structure densifiée sur la première structure 11. Par ailleurs, lors de ce mode de réalisation, l’élément de renforcement 14 est agencé entre la première structure stratifiée 11 et la deuxième structure stratifiée 12 qui ont été densifiées avant la fixation de celle-ci. De manière avantageuse, la fixation est réalisée par collage avec par exemple l’injection de matrice. Le collage peut en outre est réalisé à partir d’un adhésif à base d’époxyde. L’élément de renforcement 14 est fixé aux première et deuxième structures à l’aide de cette colle.
De la sorte, au moins une partie de l’élément de renforcement 14 permet de renforcer la jonction, dans la couche de matière, entre le raidisseur 3 et peau 2 en étant judicieusement placé à l’interface interlaminaire 13 des structures destinées à former respectivement la peau et le raidisseur.
Claims (15)
- Procédé (100) de fabrication d’une pièce (1) en matériau composite comportant un renfort fibreux (10) noyé dans une matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes de :
- réalisation (101) d’une première structure (11) stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinée à former une peau (2) de la pièce en matériau composite,
- réalisation (102) d’une deuxième structure (12) stratifiée comprenant une pluralité de couches de fibres superposées et destinées à former un raidisseur (3) présentant une forme prédéterminée, le raidisseur (3) s’étendant depuis une surface (2a, 2b) de la peau (2),
- application (104) de la deuxième structure (11) sur la première structure (12) de sorte qu’au moins une partie de la deuxième structure (12) soit en contact à une interface interlaminaire (13) avec la première structure (11),
- imprégnation (106) de la première structure (11) et/ou de la deuxième structure (12) stratifiée par une matrice polymérique, et
- densification (107) de la première structure (11) et/ou de la deuxième structure (12) stratifiées de manière à obtenir une pièce en matériau composite rigide,
caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d’agencement (105) d’au moins un élément de renforcement (14) comprenant des fibres en matériau thermoplastique à l’interface interlaminaire (13) entre la première structure (11) et la deuxième structure (12) de manière à renforcer l’interface interlaminaire (13). - Procédé (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le raidisseur présente une section transversale en I, T, C, U, L, J ou en Ω.
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice comprend une résine thermodurcissable.
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de renforcement (14) présente une masse surfacique comprise entre 2 et 30 g/m2 et une perméabilité transverse d’au moins 5 % de sa surface.
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique de l’élément de renforcement (14) comprend un polyamide, un polyéthylène, un polyétherimide, un polyphénylène sulfide, un polyéthylène térephtalate ou une combinaison de ceux-ci.
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de renforcement (14) comprend un liant chimique ou un liant organique et/ou des charges de nanotubes et/ou des fibres de carbone.
- Procédé (100) selon l’une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième structure (12) comprend des pattes fibreuses (15) destinées à former des pattes (5) du raidisseur (3), chaque patte fibreuse (15) s’étendant de part et d’autre d’une portion latérale (16) qui est destinée à former une partie du corps du raidisseur (3).
- Procédé (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’un ou plusieurs éléments de renforcement (14) s’étendent sur la largeur de chaque patte fibreuse (15) et de part et d’autre de la portion latérale (16) de la deuxième structure (12).
- Procédé (100) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que chaque patte fibreuse (15) comprend deux couches (15a, 15b, 15c, 15d) qui s’étendent suivant des directions opposées et parallèlement à la direction de la première structure (11) stratifiée (11).
- Procédé (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’élément de renforcement (14) comprend des couches de fibres qui s’étendent suivant la direction de la première structure (11) et des couches de fibres qui s’étendent à l’intérieur de chaque portion latérale (16).
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de renforcement (14) est fixé à au moins l’une des première et deuxième structures fibreuses (11, 12) à l’interface interlaminaire (13) par exemple par une couture ou collage.
- Procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce l’étape d’imprégnation (106) est réalisée préalablement aux étapes de réalisation (101, 102), préalablement à l’étape (104) ou postérieurement à l’étape (104).
- Procédé (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première structure (11) et/ou la deuxième structure (12) comprennent des fibres pré-imprégnées.
- Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première structure (11) stratifiée et la deuxième structure (12) stratifiée sont densifiées séparément et en ce qu’il comprend une étape de fixation de la deuxième structure (12) densifiée sur la première structure (11) densifiée.
- Pièce (1) en matériau composite réalisée par le procédé (100) de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce comprenant une peau (2) et au moins un raidisseur (3) s’étendant depuis une surface de la peau (2), ledit au moins un raidisseur (3) présentant une section transversale en forme I, T, C, U, L, J, ou Ω.
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| FR2307011A FR3150460A1 (fr) | 2023-06-30 | 2023-06-30 | Procede de fabrication d’une piece en materiau composite avec element de renforcement et piece en materiau composite obtenue par un tel procede |
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| FR2975333A1 (fr) * | 2011-05-19 | 2012-11-23 | Daher Aerospace | Panneau composite raidi double face et procede de realisation d'un tel panneau |
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2023
- 2023-06-30 FR FR2307011A patent/FR3150460A1/fr active Pending
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