FR3040653A1 - Outillage de support pour l'enroulement d'une texture fibreuse, procede de fabrication d'une texture fibreuse et procede de fabrication d'une preforme fibreuse de revolution - Google Patents

Abstract

Un outillage de support (100) comprend un mandrin (110) présentant une surface externe (111) sur laquelle une texture fibreuse en forme de bande est destinée à être enroulée. L'outillage comprend en outre une rallonge (120) comportant une bande souple (121) s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité (1210) fixée sur le mandrin (110) de l'outillage de support (100) et une deuxième extrémité libre (1211) comprenant un système d'attache (130) apte à maintenir l'extrémité de la texture fibreuse en forme de bande à enrouler.

Description

Arrière-plan de l'invention

La présente invention concerne la réalisation de pièces en matériau composite de révolution et plus particulièrement la réalisation et l'enroulement de textures fibreuses destinées à constituer le renfort fibreux de telles pièces.

Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement la réalisation de pièces de révolution en matériau composite structural, c'est-à-dire des pièces de structure à renfort fibreux et densifié par une matrice. Les matériaux composites permettent de réaliser des pièces ayant une masse globale moins élevée que ces mêmes pièces lorsqu'elles sont réalisées en matériau métallique.

Dans le cas d'une pièce de forme de révolution, comme par exemple un carter de moteur d'avion, la préforme fibreuse destinée à former le renfort de la pièce est réalisée à partir d'une texture fibreuse enroulée sur un outillage de support.

Plus précisément, telle qu'illustrée sur la figure 1, une texture fibreuse 10 en forme de bande est tissée en une seule pièce par tissage tridimensionnel (3D) ou multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne. Le tissage 3D ou multicouche de la texture fibreuse 10 est réalisé dans un métier à tisser 20 de type Jacquard, le tissage consistant à insérer des fils de trame 12, en créant un motif, entre des fils de chaîne 11. A sa sortie du métier à tisser 20, la texture fibreuse 10 est enroulée sur un outillage de support 30 comprenant un mandrin 31 présentant une surface externe 31a sur laquelle la texture fibreuse 10 est enroulée.

Une préforme fibreuse est ensuite réalisée par enroulement sous tension de la texture fibreuse 10 sur un outillage de moulage. Comme illustré sur la figure 2, des rouleaux de convoyage intermédiaires 40 et 50 sont utilisés pour homogénéiser la tension sur la largeur de la texture fibreuse 10 lors de son enroulement sous tension sur un outillage de moulage 60, la texture 10 étant déroulée depuis l'outillage de support 30. L'outillage de moulage 60 comprend un mandrin 61 sur la surface externe duquel la texture fibreuse 10 est enroulée sous tension, ladite surface externe présentant une forme correspondant à la pièce en matériau composite à réaliser. La texture fibreuse 10 est maintenue sur le mandrin 31 de l'outillage de moulage 60 au moyen d'un patin 62 qui est retiré entre chaque tour afin de pouvoir réaliser le tour d'enroulement suivant. A la fin de l'enroulement, c'est-à-dire après la réalisation de plusieurs tours de la texture fibreuse 10 sur l'outillage de moulage 60 de manière à former une préforme fibreuse 80, le patin 62 est de nouveau positionné afin de maintenir la préforme 80 en place et éviter qu'elle ne déroule lors de sa découpe par un couteau 70 comme illustré sur la figure 3.

Une fois la préforme fibreuse 80 ainsi réalisée, on positionne des secteurs d'injection (non représentés sur la figure 3) autour de l'outillage de moulage 60 afin d'imprégner la préforme avec une résine précurseur de la matrice.

Cette solution d'enroulement présente des inconvénients. En effet, l'utilisation de rouleaux de convoyage intermédiaires nécessite de prévoir une sur-longueur dans la texture fibreuse car la texture fibreuse doit être maintenue en permanence sous tension jusqu'à la fin de son enroulement sur l'outillage de moulage. Comme représenté sur la figure 3, une surlongueur 15 de la texture fibreuse 10 est présente entre l'outillage de support 30 et l'outillage de moulage 60 à la fin de l'enroulement afin de permettre le maintien sous tension de la texture fibreuse 10. La surlongueur 15 est tissée dans la continuité de la texture 10 servant à réaliser la préforme 80. Le début du tissage de la texture fibreuse 10 correspondant à la fin de l'enroulement, la sur-longueur 15 est tissée en début de texture fibreuse 10 et fixée sur l'outillage de support 30.

La sur-longueur étant liée à chaque texture fibreuse, elle est éliminée dès lors que la préforme 80 est découpée. La sur-longueur 15 est alors perdue car elle ne peut pas être réutilisée. Cette perte de matière augmente le coût de fabrication de la préforme et de la pièce en matériau composite résultante.

Objet et résumé de l’invention

Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'une solution pour réaliser des préformes fibreuses par enroulement qui ne présente pas les inconvénients précités. A cet effet, selon l'invention, il est proposé un outillage de support comprenant un mandrin présentant une surface externe sur laquelle une texture fibreuse en forme de bande est destinée à être enroulée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rallonge comportant une bande souple s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité fixée sur le mandrin de l'outillage de support et une deuxième extrémité libre comprenant un système d'attache apte à maintenir l'extrémité d'une texture fibreuse en forme de bande à enrouler.

Grâce à la rallonge de l'outillage de support de l'invention, la surlongueur de la texture fibreuse, habituellement utilisée pour conserver la tension entre l'outillage de support et l'outillage de moulage à la fin de l'enroulement et sacrifiée lors de la découpe de la préforme, n'est plus nécessaire, celle-ci étant remplacée par la rallonge. En outre, la rallonge peut être réutilisée pour la formation de nouvelles préformes fibreuses.

Selon un aspect de l'outillage de support de l'invention, la bande souple de la rallonge est constituée d'une bande tissé de fil en un matériau choisi au moins parmi un des matériaux suivants : poly(p-phénylènetéréphtalamide) (PPD-T) plus connu sous le nom de Kevlar®, carbone à module intermédiaire, poly(imino-l,3-phénylèneiminocarbonyle-1,3-phénylènecarbonyle) plus connu sous le nom de Nomex®, verre.

Selon une caractéristique particulière de l'outillage de support de l'invention, le système d'attache comprend deux brides reliées entre elle par une articulation de manière à former une mâchoire mobile entre une position d'ouverture dans laquelle les brides sont éloignées l'une de l'autre et une position de fermeture dans laquelle les brides sont serrées l'une en regard de l'autre. Une des brides peut en outre comporter des picots sur sa face en regard de l'autre bride afin d'améliorer le maintien de la texture fibreuse.

Selon une variante de réalisation du système d'attache, celui-ci comprend en outre un ou plusieurs éléments de bridage intermédiaires présents entre les deux brides. Chaque élément de bridage intermédiaire peut présenter des surfaces rugueuses. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une texture fibreuse de renfort d'une pièce de révolution en matériau composite comprenant le tissage en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou multicouche entre une pluralité de couches de fils d'une texture fibreuse en forme de bande et l'enroulement de ladite texture sur un outillage de support comprenant un mandrin présentant une surface externe sur laquelle la texture fibreuse est enroulée, caractérisé en ce que l'outillage de support comprend en outre une rallonge comportant une bande souple s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité fixée sur le mandrin de l'outillage de support et une deuxième extrémité libre comprenant un système d'attache maintenant une extrémité de la texture fibreuse en forme de bande lors de son enroulement sur l'outillage de support.

Selon une caractéristique particulière du procédé de réalisation de la texture fibreuse de l'invention, le système d'attache comprend deux brides reliées entre elles par une articulation, l'extrémité de la texture fibreuse étant maintenue entre les deux brides lors de son enroulement sur l'outillage de support.

Selon une autre caractéristique particulière du procédé de réalisation de la texture fibreuse de l'invention, le système d'attache comprend en outre un ou plusieurs éléments de bridage intermédiaires présents entre les deux brides et l'extrémité de la texture fibreuse comprend une partie distale dans laquelle au moins une partie des couches de fils sont tissées sans liaison avec les autres couches de fils de ladite texture, chaque couche tissées sans liaison étant maintenue entre une bride et un élément de bridage intermédiaire ou entre deux éléments de bridage intermédiaires du système d'attache. L'invention a encore pour objet un procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de révolution comprenant la réalisation d'une texture fibreuse selon le procédé de réalisation d'une texture fibreuse de l'invention, le procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de révolution comprenant l'enroulement sous tension de ladite texture sur la surface externe d'un mandrin d'un outillage de moulage de manière à obtenir une préforme fibreuse de révolution.

Brève description des dessins D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique montrant le tissage et le stockage sur un outillage de support d'une texture fibreuse en forme de bande selon l'art antérieur, les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de côté montrant la formation d'une préforme fibreuse de révolution par enroulement sous tension de la texture fibreuse de la figure 1, la figure 4 est une vue schématique de côté montrant un outillage de support conformément à un mode de réalisation de l'invention, la figure 5 est vue schématique éclatée en perspective montrant un dispositif de fixation d'une rallonge de l'outillage de support de la figure 4, la figure 6 est une schématique de côté montrant un système d'attache de la rallonge de l'outillage de support de la figure 4, les figures 7 et 8 sont des vues schématiques de côté montrant la formation d'une préforme fibreuse de révolution par enroulement sous tension d'une texture fibreuse préalablement enroulée sur l'outillage de support de la figure 4, les figures 9 et 11 sont des vues schématiques de côté montrant une variante de réalisation du système d'attache de de la rallonge de l'outillage de support de l'invention, la figure 10 est une vue schématique montrant une texture fibreuse dont l'armure de tissage est adaptée à son extrémité pour le système d'attache des figures 9 et 11.

Description détaillée de modes de réalisation L'invention s'applique d'une manière générale à la réalisation de pièces de révolution en matériau composite tels que des carters pour moteur d'avion comme par exemple des carters de soufflante, ces pièces étant obtenue par réalisation de préformes fibreuses de révolution par enroulement et densification de ces préformes avec une matrice. Ces pièces telles que des carters de moteur d'avion sont de grandes dimensions, pour diverses gammes de ces moteurs type turbomachines de propulsion d'avion, ces carters pouvant avoir un diamètre de l'ordre d'un mètre jusqu'à trois mètres.

Conformément à l'invention et comme décrit ci-après en détail, la présente invention propose d'utiliser un outillage de support équipé d'une rallonge permettant de réaliser l'enroulement sous tension d'une texture fibreuse lors de sa mise en forme sans perte de matière.

Le procédé de réalisation d'une texture fibreuse selon l'invention débute par la formation d'une texture fibreuse sous forme d'une bande qui est ensuite enroulée sur un outillage de support. La texture fibreuse est ici destinée à former une préforme fibreuse d'un carter de moteur d'avion.

La texture fibreuse est obtenue par tissage tridimensionnel (3D) ou multicouche réalisé de façon connue au moyen d'un métier à tisser de type jacquard sur lequel on a disposé un faisceau de fils de chaînes ou torons en une pluralité de couches, les fils de chaînes étant liés par des fils de trame. Dans l'exemple décrit ici, le tissage multicouche est un tissage à armure "interlock". Par tissage "interlock", on entend ici une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure. D'autres types de tissage multicouche connus pourront être utilisés, comme notamment ceux décrits dans le document WO 2006/136755.

La texture fibreuse selon l'invention est tissée à partir de fils tels que notamment, mais non exclusivement, des fils de fibres de carbone, de céramique tel que du carbure de silicium, ou encore de verre.

La figure 4 illustre un outillage de support 100 conformément à un mode de réalisation de l'invention qui comprend un mandrin 110 présentant une surface externe 111 sur laquelle une texture fibreuse en forme de bande est destinée à être enroulée. L'outillage de support 100 comprend en outre une rallonge 120 comportant une bande souple 121 s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité 1210 fixée sur le mandrin 110 de l'outillage de support et une deuxième extrémité libre 1220 comprenant un système d'attache 130 apte à maintenir l'extrémité d'une texture fibreuse en forme de bande à enrouler. L'extrémité de la bande souple est fixée sur l'outillage de support de préférence avec un système de fixation qui ne crée pas de surépaisseur à la surface du mandrin de l'outillage de support. Dans le mode de réalisation décrit ici et comme représenté sur la figure 5, le mandrin 110 présente sur sa surface externe 111 un évidement 112 permettant de loger un dispositif de fixation 150 de la première extrémité 1210 de la bande souple 121 et d'intégrer celui-ci à la géométrie du mandrin sans surépaisseur. Le dispositif de fixation 150 est ici constitué d'une plaque de fixation 151 présentant une forme complémentaire à celle de l'évidement 112 et d'organes de fixation 152 de type visserie, la plaque 151 comportant en outre une pluralité d'orifices 1510 pour le passage des organes de fixation 152. L'extrémité 1210 de la bande souple 121 comporte une pluralité d'orifices 1211 renforcées par des œillets 1212, la position des orifices 1211 coïncidant avec celle des orifices 1510 ménagés dans la plaque de fixation 151. L'extrémité 1210 de la bande 121 de la rallonge 120 est maintenue entre la plaque 151 et le fond de l'évidement 112 par serrage des organes de fixation 152 dans des orifices 1120 muni d'un taraudage coopérant avec le filetage des organes de fixation 152 (non représentés sur la figure 5). L'homme du métier envisagera sans difficultés d'autres formes de réalisation du dispositif de fixation de l'extrémité de la bande sur le mandrin de l'outillage de support.

La bande 121 de la rallonge 120 peut être constituée de tout matériau souple présentant un taux d’allongement très faible et résistant aux efforts de tension appliqués lors de l’enroulement de la texture fibreuse sur l’outillage de moulage. A titre d’exemple non limitatif, la bande 120 peut être constituée d’une bande obtenue par tissage de fils en un des matériaux suivants : poly(p-phénylènetéréphtalamide) (PPD-T) plus connu sous le nom de Kevlar®, carbone à module intermédiaire, poly(imino-l,3-phénylèneiminocarbonyle-l,3-phénylènecarbonyle) plus connu sous le nom de Nomex®, verre.

Dans le mode de réalisation décrit ici et comme représentée sur la figure 6, le système d’attache 130 comprend deux brides 131 et 132 reliées entre elles par une articulation 133 solidaire de l’extrémité 1211 de la bande 121. Les brides 131 et 132 forment ainsi une mâchoire mobile entre une position d’ouverture dans laquelle les brides 131 et 132 sont éloignées l’une de l’autre (figure 6) permettant l’insertion d’une extrémité d’une texture fibreuse à maintenir et une position de fermeture (figure 7) dans laquelle les brides 131 et 132 sont serrées l’une contre l’autre par exemple au moyen de vis (non représentées sur la figure 7) de manière à emprisonner et maintenir l’extrémité de la texture fibreuse à enrouler.

Afin d'empêcher le glissement de la texture entre les deux brides 131 et 132, une des deux brides, ici la bride 131, peut être munie de picots 1310, l'autre bride, ici la bride 132, pouvant comporter des évidements 1320 recevant la pointe des picots 1310 lorsque les deux brides sont serrées. Si les brides 131 et 132 présentent des dimensions importantes, celles-ci présentent de préférence une forme courbée correspondant à celle du mandrin de l'outillage de support comme représentée sur la figure 6.

On décrit maintenant un procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de révolution par enroulement sous tension d'une texture fibreuse sur un outillage de moulage.

Les figures 7 et 8 montrent la réalisation d'une préforme fibreuse 280 obtenue à partir d'une texture fibreuse 210 tissée suivant un tissage 3D ou multicouche. Comme déjà décrit précédemment en relation avec les figures 2 et 3, la préforme fibreuse est réalisée par enroulement sous tension de la texture fibreuse 210 sur un outillage de moulage 260, des rouleaux de convoyage intermédiaires 240 et 250 étant utilisés pour homogénéiser la tension sur la largeur de la texture fibreuse lors de son enroulement sous tension sur un outillage de moulage 260, la texture fibreuse étant déroulée depuis l'outillage de support 100 (figure 7). L'outillage de moulage 260 comprend un mandrin 261 sur la surface externe duquel la texture fibreuse est enroulée sous tension, ladite surface externe présentant une forme correspondant à la pièce en matériau composite à réaliser. A la fin de l'enroulement tel que représenté sur la figure 8, c'est-à-dire après la réalisation de plusieurs tours de la texture fibreuse sur l'outillage de moulage 260 de manière à former une préforme fibreuse 280, un patin 262 est positionné afin de maintenir la préforme 280 en place et éviter qu'elle ne déroule lors de sa découpe par un couteau 270.

La découpe est réalisée juste devant l'extrémité libre des brides 131 et 132 du système d'attache 130 de la rallonge 120, ce qui permet de ne pas avoir de pertes de matière dans la structure fibreuse 210 utilisée pour réaliser la préforme 280. En effet, la sur-longueur de la texture fibreuse, habituellement nécessaire pour conserver la tension entre l'outillage de support et l'outillage de moulage à la fin de l'enroulement et sacrifiée lors de la découpe de la préforme, est ici remplacée par la rallonge 120. En outre, la rallonge 120 peut être réutilisée pour la formation de nouvelles préformes fibreuses.

La figure 9 illustre une variante de réalisation du système d'attache de la rallonge selon l'invention. Sur la figure 9, une rallonge 320 comporte un système d'attache 330 qui diffère du système d'attache 130 décrit précédemment en ce qu'il comporte en outre de deux brides 331 et 332 des éléments de bridage intermédiaires 333, 334 et 335 présents entre les brides 331 et 332. Les brides 331 et 332 ainsi que les éléments de bridage intermédiaires 333, 334 et 335 sont reliées ensemble par une articulation 336 solidaire de l'extrémité 3211 de la bande 321. Le reste de la rallonge 320 est identique à la rallonge 120 déjà décrite. L'utilisation d'éléments de bridage intermédiaires dans le système d'attache 330 permet d'améliorer le maintien d'une texture fibreuse et de limiter les glissements relatifs entre les torons ou fils de chaîne en emprisonnant des portions ou plis indépendants de la texture entre une bride et un élément de bridage intermédiaire ou entre deux éléments de bridage intermédiaires du système d'attache. A cet effet et comme illustrée sur la figure 10, une texture fibreuse 310, tissée à partir de quatre couches de fils de chaîne Cl, C2, C3 et C4 et des fils de trame T, comporte au niveau de son extrémité destinée à être maintenue par le système d'attache 330 une portion 316 dans laquelle les quatre couches de fils de chaîne Cl à C4 sont tissées suivant un tissage bidimensionnel (2D) tel qu'une toile ou un satin par exemple de manière à former quatre plis ou couches indépendants 311, 312, 313 et 314, c'est-à-dire non liés entre eux par les fils de trame T. Le reste de la texture fibreuse 310 est constitué d'une partie 315 qui est tissée suivant un tissage tridimensionnel ou multicouche dans lequel certains au moins des fils de trame T lient les couches de fils de chaîne entre elles.

Comme illustré sur les figures 9 et 11, les plis 311, 312, 313 et 314 sont placés respectivement entre la bride 332 et l'élément de bridage intermédiaire 335, entre les éléments de bridage intermédiaires 335 et 334, entre les éléments de bridage intermédiaires 334 et 333 et entre l'élément de bridage intermédiaire 333 et la bride 331. Les éléments de bridage intermédiaire 333, 334 et 335 comportent ici des perforations permettant le passage des picots 3310. En outre, les éléments de bridage intermédiaires 333, 334 et 335 présentent de préférence une surface rugueuse augmentant la force de maintien des plis.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Outillage de support (100) comprenant un mandrin (110) présentant une surface externe (111) sur laquelle une texture fibreuse (210) en forme de bande est destinée à être enroulée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rallonge (120) comportant une bande souple (121) s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité (1210) fixée sur le mandrin (110) de l'outillage de support (100) et une deuxième extrémité libre (1211) comprenant un système d'attache (130) apte à maintenir l'extrémité de la texture fibreuse (210) en forme de bande à enrouler.
2. 2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande souple (121) de la rallonge (120) est constituée d'une bande tissé de fil en un matériau choisi parmi au moins un des matériaux suivants : poly(p-phénylènetéréphtalamide) (PPD-T), carbone à module intermédiaire, poly(imino-l,3-phénylèneiminocarbonyle-l,3-phénylènecarbonyle) et verre.
3. 3. Outillage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système d'attache (130) comprend deux brides (131, 132) reliées entre elles par une articulation (133) de manière à former une mâchoire mobile entre une position d'ouverture dans laquelle les brides (131, 132) sont éloignées l'une de l'autre et une position de fermeture dans laquelle les brides sont serrées l'une en regard de l'autre.
4. 4. Outillage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une (131) des brides (131,132) comporte des picots (1310) sur sa face en regard de l'autre bride (132).
5. 5. Outillage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le système d'attache (330) comprend en outre un ou plusieurs éléments de bridage intermédiaires (333, 334, 335) présents entre les deux brides (331, 332).
6. 6. Outillage selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque élément de bridage intermédiaire comporte des surfaces rugueuses.
7. 7. Procédé de réalisation d'une texture fibreuse de renfort d'une pièce de révolution en matériau composite comprenant le tissage en une seule pièce par tissage tridimensionnel ou multicouche entre une pluralité de couches de fils d'une texture fibreuse (210) en forme de bande et l'enroulement de ladite texture sur un outillage de support (100) comprenant un mandrin (110) présentant une surface externe (111) sur laquelle la texture fibreuse (210) est enroulée, caractérisé en ce que l'outillage de support (100) comprend en outre une rallonge (120) comportant une bande souple (121) s'étendant sur une longueur déterminée entre une première extrémité (1210) fixée sur le mandrin de l'outillage de support et une deuxième extrémité libre (1211) comprenant un système d'attache (130) maintenant une extrémité de la texture fibreuse en forme de bande lors de son enroulement sur l'outillage de support.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système d'attache (130) comprend deux brides (131, 132) reliées entre elle par une articulation (133), l'extrémité de la texture fibreuse étant maintenue entre les deux brides (131, 132) lors de son enroulement sur l'outillage de support (100).
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système d'attache (330) comprend en outre un ou plusieurs éléments de bridage intermédiaire (333, 334, 335) présents entre les deux brides (331, 332) et en ce que l'extrémité de la texture fibreuse comprend une partie distale (316) dans laquelle au moins une partie des couches de fils (Cl, C2, C3, C4) sont tissées sans liaison avec les autres couches de fils de ladite texture, chaque couche tissée sans liaison (311 ; 312 ; 313 ; 314) étant maintenue entre une bride (331 ; 332) et un élément de bridage intermédiaire (333 ; 333, 335) ou entre deux éléments de bridage intermédiaire du système d'attache.
10. 10. Procédé de réalisation d'une préforme fibreuse de révolution comprenant la réalisation d'une texture fibreuse (210) selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, le procédé comprenant l'enroulement sous tension de ladite texture sur la surface externe d'un mandrin (261) d'un outillage de moulage (260) de manière à obtenir une préforme fibreuse de révolution (280).