Brevet FR2503024A1 — publié le 19821008

1. L'invention concerne un corps creux tubulaire en matière plastique renforcée par des fibres, notamment partie constitutive de structure pour aéronefs et engins spatiaux. L'invention concerne en outre, un procédé pour la réalisation d'un tel corps creux, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans le domaine de la technique du transport aérien spatiale on met de façon croissante en oeuvre à la place de métaux, des matériaux renforcés par des fibres, car, d'une part, ils présentent une résistance et une rigidité comparables à celles des métaux et, d'autre part, les composants réalisés à partir de tels matériaux, présentent un poids considérablement plus réduit que les composants comparables en métal. Comme les caractéristiques mécaniques des matériaux renforcés par des fi- bres, à la différence des métaux, dépendent de la direction, on peut, grâce à ces matériaux, construire des composants qui sont adaptés de façon optimale au cas de charges considéré, et qui permettent ainsi une économie de poids importante. Ceci est surtout valable pour les composants chargés de façon prépondé- rante selon un axe, telapar exemple que des pales de rotor ou bien des étais. Un problème important lors de composants réa- lisés à partir de matériaux renforcés par des fibres, est l'ap- plication de l'effort. C'est ainsi qu'il est courant de munir des composants en matière plastique renforcée par des fibres, d'appendices ou de garnitures métalliques pour l'application des efforts, ces appendices ou garnitures étant reliés à la struc- ture en fibres soit, par collage, soit par des éléments de liai- son mécanique. Il a par exemple été proposé d'utiliser dans la construction aéronautique, des étais constitués d'une partie mé- diane tubulaire en matière plastique renforcée par des fibres, partie médiane munie à chacune de ses extrémités d'une tête de raccordement en aluminium. De telles structures composites assemblées ne constituent fréquemment qu'une solution de compromis avec les- quels on ne peut ni atteindre une utilisation complète des caractéristiques potentielles de résistance des matériaux ren- forcés par des fibres, ni le poids structurel susceptible d'être obtenu par une utilisation exclusive de ces matériaux. L'invention a en conséquence pour but de créer 2.- un corps creux du type initialement mentionné qui est susceptible d'être directement mis en oeuvre comme composant structurel. Un autre-but de l'invention est de créer un procédé grâce auquel un tel corps creux peut être réalisé. Enfin, il sera proposé dans le cadre de l'invention, un dispositif approprié pour la mise en oeuvre de ce procédé. Pour atteindre le premier but, l'invention con- cerne un corps creux tubulaire caractérisé en ce qu'il comporte des zones terminales de section transversale interne réduite, qui sont façonnées d'une seule pièce sur une partie médiane tu- bulaire, en revêtant la forme de pattes de raccordement à deux joues. La réalisation conforme à l'invention du corps creux en tant que partie constitutive intégrale à partir d'un matériau renforcé par des fibres, permet non seulement de mettre en oeu- vre des matériaux renforcés par des fibres à des emplacements oh jusqu'à maintenant on ne pouvait trouver que des structures purement métalliques ou bien des structures composites assem- blées, mais de plus, les caractéristiques mécaniques de ces ma- tériaux peuvent être utilisées de façon optimale par adaptation aux conditions de bordures respectivement existantes. Des dispositions avantageuses dans ce contete, sont prévues selon d'autres caractéristiques de l'invention. Notamment des augmentations locales d'épaisseur du matériau dans la zone des pattes de raccordement permettent d'améliorer l'application des efforts dans le composant considéré. Simulta- nément, la réalisation renforcée de deux bandes s'étendant en direction longitudinale permet de prendre en compte des couples de flexion plus élevés. Le procédé prévu pour atteindre le second but de l'invention permet de réaliser des corps creux tubulaires d'une seule pièce (selon ce que l'on appelle "one shot curing') en matériaux renforcés par des fibres, et dont les sections trans- versales le long de l'axe longitudinal présentent des formes et des dimensions de surfaces variées avec la solidité et la rigidité nécessaires pour des composants de structures. Du fait que dans le cas du procédé conforme à l'invention, un processus de conformation progressif, comparable au procédé d'emboutissage profond des t8les métalliques, se trouve mis en oeuvres, des degrés de conformation relativement élevés sont réalisables sans que cela aboutisse à une perturba- 3.- tion de la structure fibreuse du matériau et donc, à une altéra- tion des propriétés mécaniques. On conna t certes par le document DE-PS 11 91 556, un procédé concernant la réalisation de profils creux renforcée par des fibres, et dans lequel le matériau fibreux imprégné d'une résine synthétique est rapporté sur un tuyau flexible puis durci dans uhe forme creuse en appliquant une sur- pression interne, toutefois, les corps creux réalisés selon ce procédé en un processus continu, présentent une section trans- versale unique sur la totalité de leur longueur. Il a en outre déjà été décrit (Zeitschrift "FLUG-REVUE INFORMATION" Nr 5 du 15.8.1980 pages 3/4) sous la désignation "Thermal Expansion Nolding (TEN)" un procédé grâce auquel des composants de structures pour des aéronefs et des engins spatiaux soht également réalisables. Dans le cas de ce procédé connu, le façonnage et le durcissement du composant s'effectuent à l'aide d'un noyau massif en caoutchouc de sili- cone sur lequel le matériau renforcé par des fibres est rapporté et ensuite chauffé. Une mise en oeuvre de ce procédé pour la réalisation de corps creux, dont la section transversale se ré- duit fortement aux extrémités, n'apparait pas praticable ou seulement difficilement praticable, car l'enlèvement du noyau après que le durcissement ait été effectué, soulèverait des dif- ficultés considérables. Le procédé prévu conformément à l'invention ne se distingue pas seulement parce qu'il permet la réalisation reproductible d'étais, de tiges ou analogues avec des pattes de raccordement intégrées d'une seule pièce, et en utilisant exclusivement des matériaux renforcés par des fibres, mais il permet aussi en même temps, des cadences de fabrication élevées. Comme lors de la réalisation, seul un nombre réduit de laminés standard de grande surface à plusieurs couches laminées à plat est nécessaire, des installations de laminage automatique peu- vent être mises en oeuvre pour la réalisation, ce qui garantit un rendement économique élevé. Celui-ci est encore amélioré du fait que des demi-produits standardisés en matériaux fibreux pré-imprégnés, dits Prepregs, peuvent Otre utilisés. le procédé conforme à l'invention est dans ce cas indépendant du type de fibres, de la manière dont elles sont disposées et du type de résine, c'est-à-dire qu'il est 4.- susceptible d'être mis en oeuvre pour des classes de matériaux variée ê Un autre avantage du procédé réside en ce que le dur- cissement des corps creux ainsi réalisés ne doit pas se faire nécessairement dans un autoclave, mais peut s'effectuer égale- ment dans un four. D'autres avantages aussi bien en ce qui concerne la qualité des corps creux ainsi réalisée que en ce qui concerne une production plus simple et plus rapide, et donc encore plus économique, résultent de l'application des disposi- tions prévues par d'autres caractéristiques de l'invention. Pour atteindre le troisième but de l'invention, il est prévu une forme creuse connue en deux parties, avec des évidements périphériques dans lesquels peuvent être placés des corps de forme fermant complètement des évidements. Cette dis- position permet, de façon correspondante au procédé précédem- ment décrit, une mise en forme contrôlée du corps creux dans la zone des rétrécissements de section transversale prévus, mise en forme dans laquelle les propriétés mécaniques du matériau fibreux restent. totalement préservées. À ce résultat, contribue également le fait que selon une autre forme de l'invention, le noyau interne est adapté dans une mesure telle à la forme creuse utilisée, que le cordon rapporté sur le tuyau ne doit pas être dilaté que dans une faible mesure pour venir s'appli- quer sur la paroi interne de la forme creuse. L'invention va être expliquée plus en détail en se référant à des exemples de réalisation représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 représente en perspective un corps creux conforme à l'inventions, - les figures 2a et 2b montrent la constitution du corps creux selon la figure 1. - la figure 3 représente un dispositif conforme à l'invention. Sur les figures, les parties constitutives iden- tiques sont affectées des mêmes numéros de références. Dans le cas du corps creux représenté sur la figure 1, il s'agit d'un support de porteur transversal pour un avion. la tige de support est constituée d'une matière plasti- que renforcée par des fibres, dans le cas présent, d'une CFKy et elle présente dans sa partie médiane 1, une section transver- sale à peu près circulaire. Les deux zones terminales 2 et 3 5.- de la tige de support revêtent la forme de pattes de raccorde- ment 4 et 5 à double joues. Leur section transversale interne est considérablement réduite par rapport à celle de la partie médiane l et revêt à peu près la forme d'un haltère. Par ail- leurs, l'épaisseur de paroi dans ces deux zones, de même que dans les zones de transition 6 et 7, est supérieure à celle de la partie médiane 1. De façon correspondante au cas de charge prévue en tant que support de flexion, deux bandes 8 et 9 se faisant face et s'étendant en direction longitudinale de la tige de support, sont renforcées de façon supplémentaire. Ces bandes 8 et 9 constituent en même temps les surfaces latérales des pattes de raccordement 4 et 5. Les pattes de raccordement 4 et sont en outre, munies d'un perçage 10 ou 11 pour recevoir les douilles de positionnement. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'incli- naison des surfaces 12, 13 ou bien 14, 15, constituant les zones de transition 6 et 7, est choisie relativement faible par rapport à l'axe longitudinal de la tige de support. Ces surfa- ces sont en outre de forme convexe. De cette façon, on obtient une intégration optimale des pattes de raccordement 4 et 5, dans la structure de la tige, grâce à quoi des déformations locales t pp élevées du matériau fibreux se trouvent évitées. Le procédé conforme à l'invention pour la réa- lisation de la tige de support précédemment décrite, va être exposé en se référant aux figures 2 et 3. La figure 2a montre à l'aide d'une vue partielle qui représente l'extrémité gauche de la tige sur la figure 1, la constitution du corps creux à partir de matériaux fibreux pré- imprégnés avant le processus de mise en forme. La figure 2b montre la même constitution en cou- pe transversale. La figure 3 enfin, montre un dispositif conve- nant pour le processus de mise en forme. Comme cela est représenté sur la figure 2, la construction du corps creux est réalisée sur un noyau interne dur 16 essentiellement cylindrique, sur lequel est enfilé un tuyau 17 en un matériau flexible, dans le cas présent, un tuyau en caoutchouc. Le tuyau 17 est muni à une de ses extrémités d'un embout de raccordement 18. Son autre extrémité est tout d'abord ouverte et est susceptible d'être fermée pendant le processus de mise en forme par une pince non représentée. 6.- Comme matériau de départ pour la réalisation, on utilise un semiproduit standardisé, ce que l'on appelle un Prepregg constitué dans ce cas de plusieurs couches de fibres de carbone imprégnées. A partir de ce matériau, sont prélevés deux laminés standards 19 ou 20, qui s'étendent sur toute la lon- gueur prévue du corps creux et qui sont respectivement plus larges que la périphérie de ce corps creux. En supplément, sont prévus quatre laminés de renforcement de tête constitués du même matériau, et dont deux, les laminés 21 et 22, sont repré- sentés sur les figures 2a et 2b pour la zone d'extrémité gauche de la figure 1. Leur longueur est alors choisie telle qu'elle recouvre aussi bien les zones d'extrémités 2 ou 3 qu'également les zones de raccordement 6 ou 7. Leur largeur est respective- ment de l'ordre d'un quart de celle des laminés standards 19 ou 20. Les laminés de renforcement de tête sont rap- portés l'un en face de l'autre aux deux extrémités du corps creux, Ensuite, les deux laminés standards 19, 20, avec le recouvrement défini à l'avance par leur largeur, sont enroulés de façon telle autour du noyau interne 16, que leuisrecouvrements sont placés à l'opposé 'un. dce l'autre. L'ensemble du montage est ensuite introduit dans une forme creuse 23 vaporisée avec un produit de démoulage à chaud. Dans le cas de cette forme creuse 23, il s'agit d'une forme creuse à peu près cylindrique constituée de deux moitiés 24 et 25 et dont les surfaces frontales sont ouvertes. Le dia- mètre du noyau interne 16 est alors choisi de façon telle qu'a- près l'introduction du corps creux dans la forme creuse, il subsiste encore un espace intermédiaire entre la surface interne de la forme creuse et le matériau fibreux. Comme on peut le voir sur la figure 3, la forme creuse 23 comporte au voisinage de ses surfaces frontales (une seule extrémité étant représentée sur les dessins) des évide- ments périphériques 26 et 27, qui sont respectivement disposés l'un en face de l'autre et qui s'étendent respectivement sur une partie importante de la périphérie. S'adaptant à ces évidements 26 ou bien 27, des corps de forme respectifs 28 ou bien 29 sont prévus dans le cas du dispositif de mise en forme selon l'inven- tion. Ces corps de forme sont constitués de façon telle qu'ils s'adaptent exactement dans les évidements 26 ou bien 27 et que 7.- leurs surfaces de mise en forme 30 ou bien 31, correspondent au façonnage souhaité du corps creux dans la zone des pattes de raccordement 4, 5 ainsi que dans les zones de transition 6, 7. De corps creux est placé de façon telle dans la forme creuse 23 préalablement divisée, que les recouvrements des laminés 19 à 20 se situent à peu près le long des voiles 32 ou 33 ménagés par les évidements 26 ou 27. La forme creuse 23 est fermée et de l'air comprimé est introduit par l'intermé- diaire de l'embout 18 dans le tuyau 17 encore ouvert, si bien que celuici se soulève d' noyau interne 16. Ce noyau est retiré de l'extrémité encore ouverte du tuyau 17 et celui-ci est en- suite fermé. Le tuyau 17 est maintenant mis sous surpres- sion, si bien que les laminés s'appliquent sur les surfaces de parois de la forme creuse 23. Contre l'action de la pression dans le tube 17, les corps de forme sont maintenant introduits dans les évidements correspondants. La forme fermée de cette façon es-t ensuite placée dans un four ou bien dans un autoclave, o le durcissement du matériau fibreux s'effectue sous une pres- sion réglée dans le tuyau 17. Lorsque le durcissement est effectué, le corps creux est enlevé de la forme creuse 23 et l'air comprimé est évacué du tuyau 17. Ce tuyau est alors retiré du corps creux à travers l'une des ouvertures restant aux extrémités. Enfin le corps creux, dans ce cas la tige de support, reçoit sa forme définitive par des fraises de contour dans la zone des pattes de raccordement 4 et 5, o les parties terminales externes sont enlevées. En outre, les perçages 10 ou 11 sont effectués pour recevoir les douilles de positionne- ment dans les pattes de raccordement. Le procédé conforme à l'invention qui vient d'être décrit n'est pas exclusivement limité à la réalisation du corps creux représenté sur les dessins, ni aux types de fibres indiqués. Il convient au contraire pour tous les corps creux, avec une section transversale se rétrécissant aux extrémités, ou bien avec des étranglements locaux de la section transversale. Par ailleurs, ce procédé est susceptible d'être mis en oeuvre de façon indépendante des différentes classes de matériaux des systèmes à 12500 pouvant être utilisés aussi bien que des sys- tèmes à 17500 et aussi bien par exemple que des systèmes polyimide 8.- R E V E N D I C A T I O N S 1.- Corps creux tubulaire en matière plastique renforcée par des fibres, notamment partie constitutive de structure pour aéronefs et engins spatiaux, corps creux tubulaire caractérisé en ce qu'il comporte des zones terminales (2, 3, 69 7) de section transversale interne réduite, qui sont façonnées d'une seule pièce sur une partie médiane (1) tubulaire, en revé- tant la forme de pattes de raccordement (4, 5) à deux joues. 2.- Corps creux selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les zones terminales (2, 3, 6, 7) présentent une épaisseur de paroi plus forte. 3.- Corps creux selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie médiane (1) présente une section transversale interne approximativement cir- culaire, tandis que les pattes de raccordement (4, 5) présentent respectivement une section transversale interne en forme dthal- tère. 4.- Corps creux selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux bandes (8, 9) placées l'une en face de l'autre et s'étendant en direction lon- gitudinale du corps creux, et qui forment en même temps les sur- faces latérales des pattes de raccordement (4, 5), présentent une épaisseur de paroi plus forte. 5.- Corps creux selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une matière plastique renforcée avec des fibres de carbone (CFK). 6.- Corps creux selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fibres de renfor- cement sont constituées d'un polymère organique synthétique (aramide). 7.- Procédé pour la réalisation de corps creux en matière plastique renforcée par des fibres, notamment de corps creux tubulaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, procédé dans lequel un matériau en fibres imbibé avec une résine synthétique, est rapporté sur un tuyau flexible, et le cordon ainsi constitué est placé dans une forme creuse sous surpression interne et durci, procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: I) Le tuyau (17) constitué d'un matériau isotropiquement élasti- que est enfilé sur un noyau interne dur (16), 9._ 2503024 9 - II) Le matériau en fibres préimprégné (19, 20, 21, 22) est rap- porté sur le tuyau (17) et fermement pressé contre le noyau interne (16), III) Le cordon ainsi constitué est placé dans la forme creuse (23) et le noyau interne (16) est enlevé du tuyau (17), IV) Le tuyau (17) est étanché aux extrémités et mis sous pres- sion, V) Dans des évidements périphériques (26, 27) de la forme creu- se (23) on introduit, contre l'action de la pression inter- 1l ne du tuyau (17), des corps de forme (28, 29) et on les fixe, VI) Le cordon est durci dans la forme creuse (23) sous une pres- sion interne définie du tuyau (17) et à une température élevée. 8.- Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le matériau en fibres est constitué de deux cou- ches laminées (19, 20) qui s'étendent sur la totalité de la lon- gueur du corps creux et qui sont rapportées de façon telle en direction longitudinale sur le tuyau (17) que leursrecouvrements sont respectivement placés l'un en face de l'autre. 9.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 et 8, caractérisé en ce que dans la zone des évi- dements (26, 27) de la forme creuse (23) des couches supplémen- taires de renforcement (21, 22) de matériau en rfibres pré- imprégné, sont rapportées. 10.- Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce que les couches de renforcement (21, 22) sont rap- portées entre le tuyau (17) et les couches laminées (19, 20). 11.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 10, caractérisé en ce que la forme externe du noyau interne (16) est choisie de façon telle que lors de l'in- troduction du cordon dans la forme creuse (23) un espace inter- médiaire subsiste entre la paroi interne de la forme creuse (23) et le cordon. 12.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 11, caractérisé en ce que pour enlever le noyau interne (16) du tuyau (17) de l'air comprimé est envoyé dans le tuyau (17). 13.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 11, caractérisé en ce que pour enlever le noyau 10.- interne (16) du tuyau (17), l'espace intermédiaire entre la paroi interne de la forme creuse (23) et le cordon est mis sous vide. 14.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 11, caractérisé en ce que le noyau interne (16) est enlevé avant l'introduction du cordon dans la forme creuse (17). 15.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 14, caractérisé en ce que, avant l'introduction du cordon, on pulvérise à l'intérieur de la forme creuse (23) un produit de démoulage à chaud. 16.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 15, caractérisé en ce que le tuyau (17), après le durcissement du corps creux, est mis sous vide et enlevé de ce creux. 17.- Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 à 16 pour la réalisation d'un corps creux selon la revendication 4, procédé caractérisé en ce que les pattes de raccordement (4, 5), après le durcissement et l'enlèvement du tuyau (17), soht amenées à la forme externe prévue au moyen de fraises de contour et des perçages (10, 11) sont ménagés pour y loger les douilles de positionnement. 18.- Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 17, disposi- tif constitué d'une forme creuse en deux parties, susceptible d'être fermée, réalisée en un matériau résistant, dispositif ca- ractérisé en ce que la forme creuse (23) est munie d'au moins un évidement périphérique (26, 27) dans lequel un corps de forme (28, 29) fermant complètement l'évidement (26, 27) est susceptible d'être placé. 19.- Dispositif selon la revendication 18, carac- térisé en ce qu'il est prévu respectivement deux évidements (26, 27) au voisinage de chacune des surfaces frontales de la forme creuse (23), ces évidements étant disposés l'un en face de l'au- tre. 20.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 18 et 19, caractérisé en ce que les corps de forme (28, 29) constituent respectivement des formes négatives pour la zone des pattes de raccordement (4, 5) du corps creux. 21.- Dispositif selon l'une quelconque des 11.- revendications 18 à 20, caractérisé en ce qu'au moins une sur- face frontale de la forme creuse (23) est munie d'une ouverture. 22.- Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 18 à 21, caractérisé en ce qu'à la forme creuse (23) est associé un noyau interne (16) également en un matériau résis- tant, dont la longueur correspond à peu près à celle de la forme creuse (23) et qui présente un profil de section trans- versale à peu près constant, dont le façonnage est à peu près adapté à celui de la face interne dp la forme creuse (23).