Brevet FR2440831A1 — publié le 19800606

La présente invention concerne des panneaux à base de fibres à haute résistance particulièrement destinés à la construction des avions et aéronef s ainsi que le procédé de fabrication de ces panneaux. L'emploi de fibres à haute résistance et haut module d'élasticité telles que, par exemple, les fibres de carbone et les fibres de bore, s'est généralisé récemment pour la réalisation d'éléments de structure, utilisables en aéronautique. Ces fibres sont généralement employées sous forme de bandes ou rubans comprenant un assez grand nombre de fibres disposées parallèlement et enrobées par une résine synthétique polymé- risable, par exemple une résine époxy. Pour réaliser des éléments de structure, il est usuel de faire avec ces rubans un certain nombre de couches superposées en croisant les fibres et de polymériser ensuite la résine à chaud et sous pression. Si on veut faire des panneaux présentant une surface importante, pour réaliser par exemple un revêtement de voilure ou de dérive d'avion, il faut associer ces panneaux à des mo- yens capables d'assurer la tenue des efforts Mécaniques qui sont créés pendant le vol de l'avion. On pourrait naturellement prévoir une ossature, par exemple métallique, et fixer les panneaux sur cette ossature dont les mailles seraient suffisaent resserrées pour bien tenir les efforts. Mais la présente invention vise à simpli- fier les choses et à rendre les panneaux auto-résistants aux efforts, donc à simplifier l'ossature de la structurevtout en permettant de profiter au mieux des qualités des fibres à haute résistance et de galber les panneaux à la forme aérodynanique désirée. Selon l'une des particularités de l'invention, les panneaux, dont la surface aérodynamique est constituée par un empilage de couches croisées de fibres à haute résistance enrobées dans une résine, comportent, sur leur face destinée à se placer vers l'intérieur de la structure, des nervures de raidissement orientées dans le sens des efforts à tenir et constituées également par des couches de fibres à haute résistance enrobées de résine, le tout formant un monobloc. Ces nervures seront appelées ci-après "raidisseurs pour les distinguer des organes que l'on appelle habituellement "nervures" dans la constitution des ailes d'avion. Dans le procédé de fabrication de ces panneaux, qui fait aussi l'objet de l'invention, on réalise les raidisseurs au moyen de couches imprégnées disposées en forme de U, dont l'intervalle entre branches est égal à l'intervalle devant exister sur le panneau entre les faces se faisant vis-à-vis de deux raidisseurs successifs, et en ce que ces U, maintenus en forme par chevauchement sur des barres de support parallé- lépipédiques de section et de longueur appropriées, sont jux taposés avec, le cas échéant, des pièces intercalaires compre nuant des fibres à haute résistance, pour être réunis aux couches de fibres imprégnées destinées à former la surface du panneau, le tout étant finalement transformé en un bloc mone- lithe par polystrisation de la résine Avant cette polymérisation, donc, alors que la résine est encore molle, la surface extérieure du panneau est galbée par appui sur une plaque support de conftrmation convenable, cet appui étant maintenu pendant la polymérisation. Deux modes de réalisation différents de ce procédé sont possibles selon que les rubans imprégnés que l'on utilise comportent ou non un excas de résine. De préférence, les piNces intercalaires que l'on place entre les branches de deux U voisins comportent des fibres disposées parallèlement à la longueur des raidisseurs, de manière à bien supporter les efforts de traction ou de flambement qui sont engendrés dans ces raidisseurs au cours du travail de la structure. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention est réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 représente en perspective un tronçon de panneau à raidisseurs intégrés conforme à l'invention, vu du côté de sa face interne, la figure 2 montre un profil d'aile d'avion dont la partie principale est constituée par des panneaux de ce genre, la figure 3 montre à plus grande échelle une partie d'un panneau conforme à l'invention, coupée par un plan perpendiculaire aux raidisseurs et illustre un premier mode de réali sation du procédé de fabrication d'un panneau, la figure 4 montre en coupe l'une des phases de la préparation des raidisseurs ainsi que l'outillage correspondant, la figure 5 illustre à plus petite échelle la phase de réunion des raidisseurs, la figure 6 montre en perspective schématique la phase du procédé servant à galber le panneau, la figure 7 montre à plus grande échelle la coupe d'un raidisseur avec sa liaison à la surface du panneau, la figure 8 illustre un autre mode de réalisation du procédé. Comme on le voit sur la figure 1, le panneau compo te une surface 1 que l'on appellera ci-après trevêtement", ayant d'un côté une face lisse qui formera sur l'avion la face externe soumise au vent et#du côté opposé,des raidisseurs ou nervures de raidissement 2 généralement parallèles entre elles, mais dont la hauteur peut être variable selon la nature et l'importance des efforts locaux devant être encaissés par le panneau. Le revêtement et les raidisseurs sont constitués par des fibres à haute résistance, par exemple des fibres de carbone ou des fibres de bore noyées dans une résine polyméri- sable, le tout formant un monobloc. Une aile d'avion par exemple (figure 2) peut être réalisée au moyen de tels panneaux associés à deux longerons tels que 3 et à des nervures, non figurées, agencées de place en place selon la méthode de construction classique en aéronautique. Deux modes de réalisation du procédé de fabrication d'un tel panneau vont être décrits ci-après. Le premier de ces modes de réalisation est applicable au cas où les rubans de fibres imprégnées de résine contiennent un excès de celle-ci. Cours on le voit sur la figure 3, les raidisseurs dont l'épaisseur totale est el comportent chacun une couche intermédiaire ou noyau 4 placée en sandwich entre deux couches 5. Les couches 5 de deux raidisseurs voisins qui se font visà-vis sont les branches d'un U inversé (voir aussi figure 4) dont la partie supérieure 6, plate ou à faible courbure, a une longueur correspondant à l'intervalle devant régner entre les faces se faisant vis-à-vis de deux raidisseurs successifs 2. Alors que les couches 5, 6 seront généralement constituées par un empilage de rubans disposés de manière que les fibres se croisent, les noyaux ou parties intercalaires 4 seront avantageusement formés par des rubans à fibres parallèles à la longueur d'un raidisseur. On commence par réaliser les couches 5-6. Pour cela, comme on le voit sur la figure 4, on empile des rubans de fibres imprégnées en nombre et orientation convenables sur des barres de support profilées, ayant au moins la longueur d'un raidisseur mais de hauteur plus grande. Chacune de ces barres comprend un noyau résistant 8, par exemple en métal, recouvert d'une garniture 9 en élastomère (tel que celui connu sous la marque "Silastic") ayant la propriété non seulement d'avoir un coefficient de dilatation thermique élevé, comme tous les caoutchoucs, mais aussi de résister à la température nécessaire pour la polymérisation de la résine. L'empi- lage des rubans fait sur chaque barre de ce genre pour constituer les éléments en U, 5-6, est compacté unitairement pour éliminer l'air entre les rubans. Les barres ainsi garnies, en nombre égal à celui des raidisseurs moins 1, dont le panneau doit être muni, sont jux taposéesparallèlement sur une plaque en métal 10 en intercalant, entre les branches 5 de deux U voisins, les rubans destinés à former les intercalaires 4, avec leurs fibres orientées paral lèlement à la longueur des raidisseurs, comme on l'a dit cidessus. Sur la plaque 10, on dispose parallèlement aux barres 8, 9 des barres de butée 13 permettant de bien serrer les unes contre les autres les barres 8, 9 avec les couches en U qu' elles portent. Ces barres de butée, qui peuvent aussi comporter un revêtement en élastore 13a, ont une face supérieure plane 13b dont la largeur correspond à la largeur libre de raidisseurs qu'on laisse sur les bords du panneau terminé et qui peut servir à l'assemblage avec le panneau voisin . Sur la figure 2, on voit un tel assemblage en 14. L'ensemble ainsi préparé est recouvert par des buvards 11 et par un tapis étanche 12. On fait alors le vide sous ce tapis pour réaliser un essorage en compression, à une températu- re insuffisante pour polymériser la résine mais permettant toutefois de diminuer sa viscosité, de sorte que l'excès de résine reflue et est absorbé par les buvards. Par exemple pour une résine polymérisant à 1750 C on pourra utiliser une température d'essorage de 120- C. Latéralement, les parties élastomères 9 dilatées par la chaleur assurent une compression des parties 5 et 4 pour ltévacuation des excès de résine. Dans cette opération, on a donc constitué ltensemble des raidisseurs pré-essorés avec UR galbe des surfaces supérieures correspondant à celui de la plaque 10 sur laquelle reposent les barres 8. On procède alors à la réalisation du revêtement 1. Pour cela, après avoir enlevé les buvards 11 et le tapis étanche 12, on empile sur les U juxtaposés un certain nombre de couches de rubans pré-imprégnés, les couches étant croisées de manière que les fibres à haute r~sikance contenues dans les rubans aient également des directions croisées. Le nombre de couches peut varier selon les variations d'épaisseur désirées pour le revêtement. Un compactage est effectué toutes les 5 ou 6 couches et quand l'épaisseur des couches a atteint 4 à 5 - environ, on procède à un essorage comme décrit ci-dessus, en plaçant des buvards sur les couches et en coiffant le tout d'un tapis étanche où l'on peut faire le vide pour permettre essorage en compression, à une température convenant à la fluidification de la résine dont l'excès reflue dans les buvards. On enlève ensuite le tapis étanche et les buvards et on continue à superposer des couches jusqu'à obtention de l'épaisseur finale désirée, en procédant co#e ci-dessus à des compactages et essorages intermédiaires. L'ensemble obtenu se présente comme un stratifié essoré et compacté mais non encore polymérisé. Cependant, si ltoutillage employé, tel qu'il a été décrit, permet d'obtenir, par les barres 8-9 et la plaque de base 10, une forme géométrique convenable pour la face intérieure du panneau munie des raidisseurs, par contre la forme extérieure du panneau peut nitre qu'approximative. Pour rectifier cette forme, on retourne le panneau sur une plaque de moulage 15 (figure 6) ayant exactement la forme cherchée pour la face externe du panneau. Ce dernier est encore suffisunaent mou, puisque la résine n'est pas polymérisée, pour que le panneau vienne bien s'appliquer sur la plaque 15 et en épouse la forme. On recouvre la partie des barres 8-9, qui précédem- ment reposait sur la plaque 10 d'un tapis imperméable soigneusement étanche sur la périphérie de la plaque 15 et à l'intérieur duquel on fait le vide pour bien serrer les couches des raidisseurs sur celles du revêtement. L'ensemble ainsi constitué avec la plaque 15 portant le panneau est alors transporté dans un autoclave où la piNce subit le cycle de cuisson convenable sous pression, pour la polymérisation et le durcis serment complet de la résine. Par exemple, dans le cas d'une résine époxy, ce cycle comprend un chauffage pendant deux heures à 175 C sous une pression de 7 bars en-viron. Pendant cette opération, il est avantageux de maintenir à l'intérieur du tapis étanche un vide de sécurité de 50 millibars environ. Au cours de cette #pératien, la plaque 15 impose sa forme à la pièce, tandis que les barres maintiennent les raidisseurs et, par leur garniture élastomère dilatable à chaud, imposent à la matière une pression suffisante dans toutes les directions pour assurer un composite de qualité, dans le revêtement 1, le long des raidisseurs 2, au pied de ces raidisseurs et, par suite, dans la zone de liaison avec le revêtement. Dans certains cas, il y aura avantage, une fois le panneau disposé sur la plaque 15 et avant la mise en place du tapis étanche, à retirer des barres les noyaux métalliques 8 et i les remplacer par du métal divisé, tel que de la grenaille d'acier ou d'alliage léger qui permettra une certaine flexion des raidisseurs pour leur permettre de suivre des formes galbées de la plaque 15. On voit sur la figure 7 une coupe transversale qui montre un détail de la liaison etre un raidisseur et le rev & tersent. On voit en 1 les couches superposées qui constituent le revêtement, en 5 les couches qui forment les faces latérales des raidisseurs et les fonds entre raidisseurs, soit les pièces en U décrites ci-dessus, et en 4 les couches des pièces inter calaires dont les fibres sont orientées parallèlement à la longueur des raidisseurs. Avant que les couches du revêtement soient placées sur les raidisseurs maintenus par les barres, comme il a été dit ci-dessus, on peut avoir intérêt à remplir, par des bourrages de rubans préimprégnés, les petits intervalles triangulaires 16 tels que celui qui est montré sur la figure 7 et qui peuvent subsister à l'endroit du raccordement des raidisseurs avec le revêtement. On va maintenant décrire un deuxième mode de réalisation du procédé, qui convient particulièrement au cas où l'on emploie des rubans préimprégnés ne comportant pas d'excès de résine. Dans ce cas, le procédé peut être simplifié car les opérations intermédiaires d'essorage ne sont plus nécessaires. Prenant une plaque de moule 17 galbée à la forme extérieure du panneau à réaliser, on commence par disposer sur cette plaque les couches de rubans préimprégnés destinées à réaliser le revêtement 1 du panneaussen croisant les couches comme il a été dit ci-dessus et en effectuant un compactage toutes les cinq ou six couches, pour éviter les inclusions d'air. On prépare, d'autre part, par le même processus que ci-dessus, les barres à revêtement d'élastomère déjà décrites, sur lesquelles on dispose les couches de rubans préimprégnés destinées à la formation des raidisseurs. Les barres ainsi garnies sont placées sur le revête- ment, mais en position inversée par rapport à la position représentée sur la figure 5, de sorte que les parties horizontales des U se trouvent contre le revêtement. On intercale entre les branches des U les couches intercalaires 4 formées par des rubans à fibres parallèles à la longueur des raidisseurs. L'ensemble est revêtu d'un tapis étanche dans lequel on fait le vide pour comprimer le tout et on passe la plaque 17 avec le panneau qu'elle supporte dans l'étuve de polymérisation, comme ci-dessus. Il va d'ailleurs de soi que les modes de réalisation décrits n'ont été donnés qu'à titre d'exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de panneaux au moyen de couches superposées de fibres àhaute résistance enrobées dans une résine synthétique qui est finalement polymérisée pour former un bloc monolithe, caractérisé en ce qu'on réalise des nervures de raidissement ou raidisseurs intégrés au moyen de couches de fibres enrobées, disposées en forme de U, dont l'intervalle entre branches est égal à l'intervalle devant exister sur le panneau entre les faces se faisant vis-à-vis de deux raidisseurs successifs, et en ce que ces U, dont les couches sont maintenues en forme par chevauchement sur des barres de support parallélépipédiques de longueur et de section appropriées,sont juxtaposés pour être réunis, avant polymérisation, aux couches de fibres destinées à former la surface du pan neau. 2. Procédé selon 1, caractérisé en ce que l'on intercale entre les branches des U des couches intermédiaires de fibres enrobées disposées de manière que les fibres soient parallèles à la longueur des raidisseurs. 3. Procédé selon 1 ou 2, caractérisé en ce que les barres sur lesquelles on dispose les couches de fibres destinées à former les U sont munies d'un revêtement à forte dilatation thermique, de manière à exercer par cette dilatation un effort de compression sur les couches de fibres lors de la polymérisation à chaud. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, applicable en particulier au cas où les couches de fibres enrobées comportent un excédent de résine, caractérisé en ce que les couches destinées à former les raidisseurs et disposées sur les barres de support profilées sont juxtaposées sur une embase de manière que les U soient inversés et en ce que les couches destinées à former le revêtement sont placées sur les couches en U, après compactage de celles-ci, pour éliminer l'excédent de résine de ces couches, celles du revêtement étant également compactées dans le même but et le tout étant finalement retourné sur une plaque de support, galbée à la forme que doit avoir la surface externe du panneau, après quoi on procède à la polymérisation à chaud sous pression. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, applicable en particulier au cas où les couches de fibres enrobées ne comportent pas d'excès de résine, caractérisé en ce que les couches destinées à former le revêtement du panneau ayant été empilées et compactées sur une plaque dont la forme correspond à celle que doit avoir la surface externe du pan neau, les couches en U destinées à la formation des raidisseurs et préparées sur des barres de support profilées sont placées sur le revêtement en forme, après quoi le tout est passé à l'étuve de polymérisation. 6. Procédé selon l'une des revendications précéden tes, caractérisé en ce que, préalablement à la réunion des couches en U avec les couches du revêtement, les petits interval les triangulaires entre couches en U et couches de revêtement sont bourréspar des couches de fibres imprégnées. 7. Procédé selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les barres profilées destinées à la formation des U comprennent un noyau métallique enrobé d'un élastomère résistant à la température de polymérisation, ais fortement dilatable. 8. Procédé selon l'une des revendications précéden tes, caractérisé en ce que l'ensemble des couches de revêtement et des raidisseurs est recouvert, avant et pendant la polymé- risation, d'un tapis étanche dans lequel on fait le vide de ma nière à bien comprimer les couches des raidisseurs contre les couches du revêtement. 9. Panneau constitué par des fibres à haute résistan ce, en particulier des fibres de carbone ou des fibres de bore enrobées dans une résine synthétique, caractérisé en ce que ce panneau comporte sur l'une de ses faces des raidisseurs inté grés constitués également par des fibres à haute résistance en robées dans une résine, et en ce que les couches de fibres qui constituent ces raidisseurs et qui sont réunies en un monobloc avec les couches du revêtement s'étendent d'une manière conti nue d'une face de chaque raidisseur à la face de la nervure voisine située en vis-à-vis. 10. Panneau selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque raidisseur comporte un noyau de couches de fibres dans lequel les fibres sont disposées parallèlement à la lon gueur des raidisseurs. 11. Panneau selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'intervalle à section sensiblement triangulaire existant entre les couches de revêtement et les couches des faces latérales des raidisseurs comporte un bourrage de fibres enrobées.