Brevet FR2555501A1 — publié le 19850531

Procédé de fabrication de structures rigides creuses en fibres imprégnées de résine, dispositif pour sa mise en oeuvre et structure obtenue. La présente invention concerne un procédé de fabrication de structures rigides creuses réalisées à partir de matériaux en nappe de fibres imprégnées de résine, ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Elle concerne également, à titre de produit industriel les structures obtenues selon le procédé. Bien que l'invention puisse faire l'objet d'applications diverses dans des domaines variés de l'industrie, elle présente des avantages tout particuliers en aéronautique notamment pour la constitution de structures de formes complexes devant allier une parfaite résistance mécanique à une légèreté aussi grande que possible. C'est la raison pour laquelle on exposera l'invention en raisonnant à partir de structures utili séesen aéronautique sans qu'il s'agisse là d'une volonté de limitation de l'invention. En général, les structures rigides creuses, telles que les voilures d'avions par exemple sont constituées actuellement par une peau extérieure définissant deux parois écartées l'une de l'autre et raidies par une série de nervures et de poutres intérieures. Cette organisation est-caractéristique de la construction métallique où les peaux, nervures et poutres sont liées la plus part du temps par rivetage. Lorsque les revêtements, les nervures et les longerons sont réalisés en fibres imprégnées de résine, la structure reste la même et le rivetage est remplacé par le collage des éléments. Ce processus connu de réalisation de structures rigides creuses en fibres imprégnées de résine est long à mettre en oeuvre, nécessite des opérations nombreuses et délicates à réaliser autant qu'à contrôler, un équipement sophistiqué (autoclave) et nécessite un cycle de fabrication très long qui n'est pas compatible avec une production en grande série. Sutout cette méthode présente des inconvénients en ce qui concerne le produit final obtenu. En effet, les efforts appliqués lors de l'utilisation des pièces provoquent souvent des décollements aux points de liaison des éléments. Le collage ne peut être effectué en toute sécurité quelle que soit fa forme de la pièce si bien qu1il est souvent nécessaire d'adjoindre des pièces métalliques en renfort des liaisons. La présente invention propose un nouveau procédé de fabrication des structures rigides creuses qui permet d'obtenir une structure monobloc, réalisée en une seule opération de polymérisation et entièrement constituée de matériaux en fibres imprégnées de résine. A cet effet, l'invention, sous son aspect le plus général concerne un nouveau procédé de fabrication de structures rigides creuses réalisées à partir de matériaux en nappes de fibres imprégnées de résines polymérisables caractérisé en ce que - on prépare un mandrin rigide équipé sur sa périphérie d'une enveloppe souple élastiquement déformable - on dispose les nappes de fibres sur l'enveloppe souple de telle manière que les dites nappes puissent glisser les unes sur les autres. - on enferme l'ensemble ainsi constitué dans' un moule dont les parois rigides sont écartées des nappes de fibre préala blement imprégnées de résine. - après chauffage, on provoque la dilatation de l'enveloppe souple jusqu'à ce que les nappes de fibres viennent au contact des parois du moule et on assure la polymérisation de la résine. - ensuite de quoi on provoque la rétraction de l'enveloppe souple et on extrait du moule l'ensemble mandrin-structure polymérisée que l'on sépare l'une de l'autre, le mandrin pouvant être récupéré pour d'autres opérations. Pour la réalisation de grandes structures rigides creu ses de forme complexe devant présenter une paroi externe con tinue et des cavités internes multiples séparées par des cloisons raidissant la paroi externe comme c'est le cas notamment pour les voilures d'avions, le procédé selon l'invention se caractérise en ce que - on prépare plusieurs mandrins de section adaptée respectivement à chaque partie de la forme finale voulue, mandrins équipés d'une enveloppe souple et revêtus chacun de nappes de fibres susceptibles de se déplacer les unes par rapport aux autres. - on dispose ces mandrins revêtus côte à côte dans un moule en prenant soin que les nappes de fibres imprégnées de résines revêtant chaque mandrin soient écartées des autres nappes et, de la paroi du moule. - on recóuvre.l'ensemble des mandrins revêtus d'une seconde série de nappes de fibres. - on ferme le moule et, après chauffage, on provoque la dilatation des enveloppes souples pour presser les nappes de fibres préalablement imprégnéees de résine les unes contre les autres et contre les parois du moule ensuite de quoi on assure la polymérisation de la résine. - puis on provoque la rétractation des enveloppes souples pour extraire du moule la structure finale que l'on sépare des mandrins. Selon un aspect particulier de l'invention, on peut éviter l'utilisation des enceintes chauffantes de grandes dimensions nécessaires dans les procédés classiques en assurant la polymérisation par apport de chaleur dans la zône située du côté interne de l'enveloppe déformable. C'est-àdire soit dans la chambre ménagée entre le mandrin et l'enveloppe déformable ou par mise en circulation à l'intérieur du mandrin d'un fluide calorifique Cette technique présente les avantages suivants : la quantité d'énergie nécessaire à la polymérisation est inférieure à celle utilisée dans les enceintes chauffantes, la répartition des températures est plus homogène puisque l'inertie thermique du moule externe est neutralisée, enfin, les délais nécessaires à la montéé en température et au refroidissement sont considérablement diminués.De plus les déformations du moule externe lors de la montée en température sont diminuées, permettant ainsi une meilleure précision. De même,après polymérisation, on pourra améliorer le refroidissement de la pièce en assurant la circulation forcée d'un fluide de refroidissement soit entre l'enveloppe déformable et le mandrin soit de préférence a' l'intérieur du mandrin lui-même. Le dispositif objet de l'invention permet donc entre autre de diminuer de manière très significative les temps nécessaires à la stabilisation en température du moule et au refroidissement de l'ensemble pour raccourcir les cycles de fabrication. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé se caractérise en ce qu'il comporte au moins un mandrin rigide creux sur lequel est enfilée une enveloppe élastiquement déformable,aes moyens pour dilater au moins localement l'fnveloFixe déformable pour l'écarter des mandrins creux, des moyens pour mooter et immobiliser l'ensemble mandrin enveloppe dans un moule de telle manière que la périphérie de l'envelçppe soit écartée des parois du moule avant la phase dilatation Enfin l'invention concerne à titre de produit industriel nouveau une structure rigide creuse comportant une surface périphérique continue formant les faces supérieure et inférieure des alvéoles s+étendant sur toute la longueur de la structure et des cloisons reliant les faces supérieure et inférieure sur toute la longueur de la structure et séparant les alvéoles les unes des autres , la dite structure étant réalisée en un seul bloc à partir de matériaux en nappes de fibres imprégnées de résine. Les avantages de la présente invention sont multiples mains on citera surtout les suivants - 1 - polymérisation (ou cuisson) simultanée des peaux externes de la structure et des raidisseurs internes ce qui entraine la suppression de tout collage et une diminution de la masse globale de la structure à caractéristiques mécaniques égales. - 2 - évacuation cortrôlable de l'air et de la résine contenus dans les nappes ds fibres lors de la polymérisation en sont sur la pression de gonflage de l'enveloppe déformable qui permet d'obtenir un produit de la qualité requise. - 3 - fabrication de structures rigides de grandes longueurs avec des résistances locales parfaitement maitrisées et adaptées aux besoins grâce à une répartition interne des raidissages selon la coupe du profil et grâce à la possibilité de moduler l'épaisseur des nappes de fibres selon les emplacements. - 4 - suppression des autoclaves de grandes dimensions nécessaires dans les procédés connus. - 5 - possibilité d'introduire des mèches de fibres sous la peau extérieure afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques de la structure en traction ou en compression. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure la représente schématiquement, avec arrachement partiel, une structure de voilure d'avion réalisée selon les techniques connues - la figure lb représente schématiquement une voilure obtenue par le procédé selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un mandrin utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention - la figure 3 est une coupe transversale du mandrin de la figure 2;; - la figure 4 représente un demi moule en cours d'équipement avec des mandrins - la figure 5 est une vue en élévation du moule fermé - la figure 6 est une coupe du moule selon la ligne 6-6 de la figure 5 renfermant la structure obtenue selon l'invention - la figure 7 représente un drain et les figures 8 à 8d montrent différentes configurations de structures pouvant être obtenues selon le procédé de l'invention. Comme on peut le voir à la figure la le processus classique actuel de fabrication d'une structure creuse telle qu'une aile d'avion consiste à disposer une série de nervures ajourées N dans le sens transversal de l'aile, ces nervures ayant le profil de la section de l'aile et étant écartées les unes des autres et maintenues rigidement ensemble par les poutres P longitudinales. L'ensemble est recouvert d'une peau E qui enveloppe totalement nervures et poutres. La figure lb montre en comparaison la structure d'une aile similaire obtenue selon le procédé de l'invention et dans laquelle tous les éléments sont réalisés en fibres imprégnées de résine formant un bloc unique constitué d'une peau superficielle S raidie par des parois internes I constituant une série de caissons creux connexes indéformables. On décrira à présent en référence aux figures 2 et3 le procédé de base de l'invention. Pout obtenir une structure creuse à un seul caisson, on utilise un mandrin creux 1 dont la section peut-être quelconque mais présente de préférence une forme polygonale qui approche la forme finale de la structunecomme représenté à la figure 3 comportant deux faces latérales 2, deux faces 3 supérieure et inférieure et quatre faces inclinées 4. Le mandrin doit-être très rigide pour supporter des efforts d'écrasement radiaux lors de la mise en pression et donc, de préférence, doit-être réalisé en métal avec des nervures de renfort internes 5 raidissant chaque face. La chambre intérieure 6 du mandrin est obstruée à son extrémité par des joues 7. A l'intérieur de la chambre 6 sont prévués des canalisations 8 d'arrivée d'air sous pression qui sont raccordées à des orifices 9 ménagés dans la paroi du mandrin. Les canaliations 8 traversent les joues 7 d'extrémité du mandrin et sontwraccordées d'une part à une source d'air sous pression non représentée et d'autre part à un système d'aspi- ration non représenté. Le mandrin 1 est recouvert sur sa périphérie d'une enveloppe 10 ou gaine en matière souple élastiquement déformable dont les extrémités sont pincées énergiquement (de façon étanche) entre des collerettes Il du mandrin et des flasques d'étanchéité 12 fixées sur le mandrin. Une chambre étanche 13 est ainsi ménagée entre le mandrin et la gane, chambre dans laquelle débouchent les canalisations 8 d'arrivée d'air sous pression assurant ainsi la dilatation de l'enveloppe ou sa rétraction à volonté. Au centre des joues 7 du mandrin sont fixésdeux supports 13 creux destinés à assurer l'assise du mandrin dans un moule comme on le verra en référence de la figure 4. Ces supports sont branchés sur des tubulures 14 - 15. La tubulure 14 assure l'introduction d'un fluide calorifique ou d'un fluide de refroi dissement à l'intérieur de la chambre du mandrin tandis que la tubulure 15 assure l'évacuation de ces fluides. A cet effet les tubulures 14 et 15 sont raccordées sélectivement à des sources de fluideschaud ou froid (de l'eau ou un gaz par exemple) non représentées Le moule destiné à recevoir une série de mandrins comme celui de la figure 3 est représenté aux figures 4 à 6. La partie inférieure 16 du moule présente une empreinte 17 de la face inférieure de la structure finale à obtenir et le plateau supérieur 18 comporte une empreinte 19 de la face supérieure de la structure. Le plan de jonction du moule comporte un certain nombre de sièges 20 dans lesquels sont destinés à reposer les supports 13 des mandrins qui feront donc saillie hors du moule. Le moule présente également des passages pour la canalisation 8 d'alimentation en fluide sous pression. Un orifice 21 est également prévu pour créer une légère dépression à l'intérieur du moule, cet orifice étant raccordé par un tuyau 22 à un appareil d'aspiration non représenté. La mise en oeuvre du procédé s'effectue de la manière suivante : la gaine 10 n étant pas gonflée on drape tout d'abord sur chacun des mandrins 1 une série de nappes de fibres 23-24 en faisant en sorte que les nappes puissent suivre la dilatation de la gaine 10. De préférence on utilisera comme représenté à la figure 3 une ou des nappes 23 couvrant un peu plus que la moitié supérieure du mandrin en alternance avec une ou des nappes 24 couvrant un peu plus que la moitié inférieure du mandrin afin que les bords des nappes se recouvrent en permettant cependant leur libre déplacement relatif. On prépare la partie inférieure 16 du moule en recouvrant l'empreinte 17 d'une (ou plusieurs) nappe 25 puis on place dans le moule les mandrins revêtus des nappes de fibres. On revêt l'ensemble des mandrins d'une (ou plus iejrs) nappe, supérieure épousant l'empreinte 19 du plateau supérieur du moule et on referme le moule. Naturellement toutes les nappes de fibres sont imprégnées de résine comme cela est bien connu. On notera que dans cette position, les nappes de fibres drapant les mandrins sont écartées des empreintes du moule et elles sont écartées d'un mandrin à l'autre afin de permettre l'expansion des gaines gonflables 10. Par ailleurs, on pourra placer de préférence dans les zones laissées libres entre les faces inclinées 4 de deux mandrins successifs des mèches ou drains 27 tel que représenté aux figures 7 et 4. Ces drains qui peuvent par exemple avoir la forme d'un demi cylindres comme dans les dessins comportent une âme rigide creuse 28 et poreuse (par exemple percée d'une multitude de trous) revêtue d'un manchon 29 en matériau fibreux imprégné ou non de résine. Ce drain a pour rôle de capter les bulles d'air et la résine en excès évacuées des trous du moule où lesnappes de fibres sont soumises à une pression importante lors de la polymérisation. Ces drains sont destinés à demeurer noyés dans la structure finale en réalisant une armature accessoire. Les drains sont mis en place dans le moule avant fermeture en les insérant dans les logements 30 prévus dans le moule (voir figure 4) on notera que ces drains peuvent éventuellement faire saillie horadu moule afin de les raccorder, à un appareil d'aspiration pour y créer une légère aspiration et renforcer leur rôle de drainage. On notera que l'on peut améliorer (pour les pièces très précises) le positionnement préalable relatif des mandrins drapés et des drains en exercant une traction sur les extrémités dépassant du moule des mandrins et des drains, que l'ensemble se situe dans une position horizontale ou dans une position verticale. Lorsque le moule est fermé on commence à chauffer l'ensemble en faisant circuler un fluide chaud dans la chambre intérieure du mandrin par lestubulures 14-15. On notera que en variante, le chauffage pourrait être avantageusement obtenu par une série de résistances électriques (cordons chauffants) 32 fixées à la paroi du mandrin dans l'espace réservé entre ce dernier et la gaine déformable 10 comme on l'a représenté aux figures 6 et 3. Lorsque la viscosité souhaitée de la résine est atteinte on provoque le gonflement des gaines 10 en admettant le fluide sous pression par Is canalisations 8. Les nappes de fibres imprégnées sont alors pressées les unes contre les autres, un asservissement du gonflage pouvant être prévu pour assurer une mise en place spontanée et correcte des nappes. Lorsque la polymérisation est terminée, on assure le refroidissement de l'ensemble par l'intérieur des poutres en faisant circuler un fluide de refroidissement soit par les canalisations 8 soit par les tubulures 14-15. Lorsque le refroidissement est suffisant, on dégonfle les gaines 10, on ouvre le moule et on extrait les mandrins de la structure finale. On notera que le gonflage progressif des gaines 10 assure une mise en contact progressif des nappes de fibres excédentaire en direction des espaces occupés par les drains. Les cavités de forme triangulaire qui subsistent entre les nappes des caissons et les peaux extérieures sont donc remplies de résine et du drain de telle sorte que la peau externe se trouve supportée même en cet endroit qui ne se trouve pas directement en contact avec les nappes de fibres des caissons. Selon la composition de l'âme rigide du drain on pourra utiliser ce. dernier pour améliorer les caractéristiques mécaniques de la structure en traction et/ou en compression. On notera enfin que l'examen (non descriptif)du supplément de résine accumulé dans le drain fournit une indication utile sur les efforts subis par la structure lors de son utilisa; tion opérationnelle ; la sécurité est ainsi améliorée. Par ailleurs, on comprendra qu'en utilisant des gaines 10 n'ayant pas une épaisseur constante on pourra moduler la forme ou la section du produit final ou obtenir une évolution différenciée des pressions d'une zone à l'autre. Les formes pouvant être obtenues par le procédé sont nombreuses et on a représenté aux figures 8a, 8b, 8c, 8d quelques exemples de réalisations possibles. Pour plus de simplicité les descriptions du procédé qui ont été faites supposaient que l'on traitait des fibres imprégnées de résines qui polymérisent à chaud. il est bien évident que le même procédé, en excluant les moyens de chauffage (et éventuellement de refroidissement) s'applique au traitement des fibres imprégnées de résine qui polymérie sent à froid. EVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de structures rigides creuses de formes complexes réalisées à partir de matériaux en nappes de fibres imprégnées de résines polymérisables et qui doivent présenter une paroi extérieure enveloppe continue raidie par des cloisons internes formant avec la paroi extérieure des cavités multiples caractérisé en ce que - On prépare plusieurs mandrins de section adapte respectivement à chaque partie de la forme finale voulue, mandrins équipés de loenveloppe déformable. - On dispose les nappes de fibres sur chacun des mandrins equipes de manière a ce que les dites nappes puissent glisser les unes sur les autres. - - On dispose ces mandrins revètus cote à cote dans un moule. - On recouvre ensemble des mandrins revêtus d'une seconde série de nappes de fibres. - On ferme le moule, on provoque la dilatation controlee des enveloppes souples pour presser les nappes de fibres préalablement imprégnées de résine les unes contre les autres et contre les parois du moule ensuite de quoi on assure la polymérisation de la résine. - puis on provoque la rétractation des enveloppes souples, on estrait la structure finale du moule et on separe les mandrins qui peuvent etre réutilisés pour d autres opérations. 9 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lton assure la polym#risation de la résine par apport de chaleur dans la zone située du cote interne des enveloppes déformables. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 2 caractérise en ce quaprès polymérisation on assure un refroidissement forcé de la structure finale par refroidissement de la zone située du coté interne des enveloppes déformables à laide d'un fluide de refroidissement. 4 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'on ménage des espaces libres entre les nappes de fibres portées par deux mandrins successifs et la peau externe de manière a ce que les bulles d'air et la résine contenue en excès dans les nappes de fibres puissent s'y concentrer lors de la dilatation des enveloppes. 5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on favorise la migration de l'air et de la résine en excès vers les espaces libres en créant dans ceux-ci une légère dépression. 6 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 a 5 caractérise en ce que l'on garnit les espaces libres d'un drain propre à absorber la résine en excès tel qu'une mèche de fibres. 7 - Procédé selon lune quelconque des revendications i a - caractérisé en ce que, dans les espaces libres situés entre les mandrins préalablement revêtus de fibres imprégnées de résine et la peau externe, on dispose des drains rigides s'étendant sur toute la longueur des mandrins et constitués d'une ame creuse dont la paroi est perforée et d'une gaine périphérique constituée avantageusement de fibres destinée à jouer le role de mèche pour capter la résine, 1 'ame creuse pouvant etre mise en dépression pour favoriser l'évacuation de l'air et de la résine excédentaire. 8 - Procédé selon 1 'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le nombre des mandrins équipés est réduit à un. 9 9 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon 1 "une quelconque des revendications précédentes caractérise en ce qu'il comporte au moins un mandrin rigide creux sur lequel est enfilée une enveloppe élastiquement déformable, des moyens pour dilater au moins localement l'enveloppe déformable afin de l'écarter des mandrins creux, des moyens pour monter et immobiliser l'ensemble mandrin-enveloppe dans un moule de telle manière que la périphérie de l'enveloppe soit écartée des parois avant la phase ' de dilatation de l'enveloppe. 10 - Dispositif selon la revendication 9 dans lequel lwènveloppe déformable est fixée de façon étanche au mandrin en dehors de la zone a déformer il - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 a 10 caractérisé en ce que les moyens pour dilater l'enveloppe déformable sont constitués par une série de tubulures logées a l'intérieur du mandrin , ces tubulures étant raccordées à des orifices pratiqués dans la périphérie du mandrin et débouchant dans l'espace compris entre le mandrin et l'enveloppe déformable, les dites tubulures étant raccordées a une source de fluide sous pression par leur autre extrémité. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 A il caractérisé en ce que l'ensemble mandrin-enveloppe est équipé de moyens de chauffage et de refroidissement agissant dans la zone située a l'intérieur de l'enveloppe déformabl e. 13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 a 12 caractérisé en ce que les mandrins ont la forme de tubes de section polygonale. 14 - A titre de produit industriel nouveau structure rigide creuse comportant une surface périphérique continue formant les faces supérieure et inférieure des alvéoles s'étendant sur toute la longueur de la structure et des cloisons reliant les faces supérieure et inférieure sur toute la longueur de la stucture et séparant les alvéoles les unes des autres, la dite structure étant réalisée en un seul bloc à partir de matériaux en nappes de fibre imprégnées de résine. 15 - Structure selon la revendication 14 caractérisée en ce que chaque alvéole est délimitée par une première série interne de nappes de fibres et en ce qu" une seconde série externe de nappes de fibres entoure l'ensemble des alvéoles, les cloisons étant obtenues par des portions de la première série interne de nappes. 16 - Structure selon l'une quelconque des revendications 14 et 15 caractérisée en ce que des mèches de fibres sont insérées sous la seconde série externe de nappes et dans le prolongement de chaque cloison, ces mèches étant noyées dans la résine et s étendant dans la longueur de la structure.