Brevet FR2574342A1 — publié le 19860613

La présente invention se rapporte à des anneaux composites à renforcement filamentaire, ainsi qu'à des pro- cédés de fabrication de ces anneaux. Le procédé actuel de fabrication d'anneaux ren- forcés, par exemple de forme torique ou toroldale, consiste à préparer d'abord une bande ou ruban monocouche unidirec- tionnel,ayant une largeur égale à la hauteur maximale des anneaux désirés. On roule la bande en un anneau de diamètre intérieur et de diamètre extérieur désirés. On consolide ensuite l'anneau ainsi obtenu, par pression radiale inté- rieure ou extérieure, c'est-à-dire une pression normale à la surface de la bande. On a également réalisé des renforts d'oreilles par un procédé analogue au procédé utilisé pour fabriquer ces anneaux. Il n'y a pas de continuité des fila- ments dans l'épaisseur de l'anneau, sauf si la bande est continue. Des renforts circulaires locaux d'orifices de rac- cordement ne sont pas et ne peuvent pas être réalisés par enroulement de bandes en anneaux. Habituellement, ces ren- forts circulaires localisés sont formés par superposition croisée (0 , + 45 ) du stratifié unidirectionnel. Un autre mode de fabrication d'un anneau à sec- tion transversale rectangulaire consiste à enrouler une plu- ralité de couches de filaments sur un mandrin, les couches adjacentes étant séparées par une feuille de matériau de matrice. On poursuit l'enroulement jusqu'à obtention de l'épaisseur désirée. L'enroulement est ensuite retiré du mandrin et consolidé. A la connaissance de la demanderesse, il n'existe pas de brevets antérieurs ou d'articles en relation étroite avec le procédé et la structure décrits dans la présente invention. Toutefois, plusieurs dispositifs connus, qui peu- vent être utilisés pour former des anneaux ou des tores, sont décrits dans les brevets US n 3 427 185, 3 575 783, 3 900 150, 3 984 043 et 3 991 928. La présente inventioQn g pour objet un procédé de fabrication d'anneaux à renforcement fiamentaire, dans lesquels le renforcement filamentaire est continu dans toute l'épaisseur de l'anneau. L'invention a également pour objet une structure modulaire à renforcement filamentaireç pour la fabrication d'anneaux composites. L'invention a encore pour objet un procédé de fa- brication de composites à renforcement filamentaire, à par- tir de monocouches de filaments de renforcement continus enroulés. L'invention vise aussi un procédé de fabrication d'un anneau composite à renforcement filamentaire, qui é- vite la déformation de l'anneau, après na formation et pen- dant la phase de consolidation. L'invention vise également Un jodule k.renforce- ment filamentaire qui peut être utilisé en combinaison avec des couches de bandes unidirectionnelles pour l'exécution d'un renfort circulaire local. onformément à l'invention, le module à renforce- ment filamentaire comprend une menooouche d'un filament con- tinu de renforcement combiné avec un ruban constitué de la matrice désirée, enroulés en une spirale circulaire ou non circulaire plane, par exemple de configuration ovale ou elliptique, autour d'une ouverture ou d'un trou. Les fila- ments adjacents de cette spirale sont attachés au moins lo_ calement les uns aux autres, pour empêcher le déroulement de la spirale. La structure modulaire peut comprendre, en outre, un revêtement supplémentaire de matière de matrice, sur l'une ou les deux faces du module. On obtient une struc- ture composite à renforcement filamentaire, par empilage de modules jusqu'à une épaisseur désirée, ou par superposition alternée de ces modules avec une bande unidirectionnelle, et consolidation de ces combinaisons. D'autres objets et avantages apparaltront aux hommes de l'Art à la lecture de la description des modes de mise en oeuvre de l'invention, non limitatifs, illus- trés par les dessins annexés dans lesquels: Fig. 1A représente une bande monocouche unidi- rectionnelle à renforcement filamentaire, Fig. lB représente la bande de la figure 1A, en- roulée en un anneau, Fig. lC représente, de façon très exagérée, l'an- neau de la figure lB après consolidation radiale, Fig. 2A illustre la structure modulaire de base, Fig. 2B est une coupe suivant la ligne 2B-2B de la figure 2A, Fig. 2C représente un empilage de modules, Fig. 2D illustre la direction de consolidation d'un empilage de modules, pour former un anneau, Fig. 2E est une coupe de l'anneau de la figure 2B, après consolidation complète, Fig. 3A est une vue éclatée illustrant l'utilisa- tion du module pour fabriquer une oreille Fig. 3B représente l'oreille terminée, et Fig. 3C est une coupe axiale de l'oreille repré- sentée sur la figure 3B. On se reporte à la figure 1A qui représente une bande usuelle 10 constituée d'une monocouche de filaments unidirectionnels 11 noyés dans une matière de matrice 12. Pour former un anneau et en particulier un anneau à section transversale rectangulaire, on enroule la bande 10 périphé- riquement sur un mandrin, non représenté, de manière à ob- tenir un anneau 13 (figure lB) Dans cette construction, les filaments sont alignés perpendiculairement à l'axe 14 de l'enroulement 13. Les flèches 16 indiquent que l'enroule- ment 13 peut être consolidé par application d'une pression radiale sur la surface intérieure 18 de l'enroulement 13. Les flèches 20 indiquent qu'en variante l'enroulement 13 peut être consolidé par application d'une pression radiale 2S74342 sur la surface extérieure. L'inconvénient d'utiliser une bande monocouche concerne principalement la direction de consolidation. La consolidation dans la direction radiale, lorsqu'elle part de la surface intérieure,c'est-à-dire suivant les flèches 16, soumet le filament à une forte contrainte de traction qui peut provoquer la rupture des filaments et donc la per- te de l'intégrité structurelle. Lorsque la pression radiale est appliquée à la surface extérieure, c'està-dire suivant les flèches 20, il se produit un flambage, comme illustré en 22. Le flam- bage s'accompagne de la rupture des filaments et de la dé- formation de la configuration circulaire des fibres, ces deux phénomènes diminuant l'intégrité structurelle. Un inconvénient supplémentaire de l'utilisation de la bande monocouche est qu'on peut consolider seulement une forme circulaire droite, c'est-à- dire une forme ayant une section transversale rectangulaire. Si on désire obte- nir un tore ou une autre section transversale non rectangu- laire, il faut procéder à un usinage secondaire important. Lorsque ce type d'usinage est effectué, les surfaces usi- nées font appara4tre un très grand pourcentage de sections transversales de filaments. Cette situation nuit à la liai- son ultérieure,par diffusion,en une structure, du fait de la production excessive d'éléments fragiles. On se reporte maintenant à la figure 2A qui re- présente une structure modulaire de base 15, conforme à la présente invention. Le module est obtenu par l'enroule- ment conjoint d'un filament de renforcement 24 et d'un ru- ban métallique 26, comme on le voit clairement sur la figure 2B. L'enroulement consiste en une spirale plane, ou un en- roulement plan. Bien qu'un trou circulaire et un enroule- ment en spirale soient représentés, il est entendu que le procédé peut être utilisé avec d'autres configurations, par exemple ovales et elliptiques. En général, on empile une pluralité de structures modulaires de base 15 pour for_ mer un anneau composite. L'invention vise le procédé de fabrication de la structure modulaire de base, ainsi que des structures com- posites complètement consolidées. De telles monocouches en spirale sont fabriquées par enroulement conjoint du filament 24 et du ruban 26 en alliage de matrice désiré, ayant une épaisseur qui procure l'espacement de filament a filament approprié pour obtenir le rapport volumique de filament désiré. L'enroulement con- joint est effectué autour d'un mandrin d'un diamètre légè- rement plus petit que le diamètre intérieur désiré de l'an- neau. De préférence, ce mandrin est placé au centre et entre deux plateaux circulaires plans,espacés suffisamment l'un de l'autre pour maintenir une monocouche en configura- tion spirale plane. Le filament 24 et le ruban 26 sont mouil- lés, avant ou après l'achèvement de la spirale, avec un liant fugitif 25, par exemple une substance acrylique, afin d'éviter le déroulement de la spirale lorsqu'on la retire du mandrin. Sous cette forme, le module est appelé préforme, ou module "vert". A ce stade, on peut placer le module vert entre une ou deux feuilles circulaires minces 28 (voir les figu- res 2B et 2C) de la matière de matrice appropriée' On em- pile ensuite les préformes les unes au-dessus des autres, comme représenté sur la figure 2e, jusqu'à une épaisseur désirée et on consolide par application de chaleur et de pression pour former une pièce- composite annulaire. On peut utiliser des préformes de diamètre différent pour obtenir des configurations de section transversale autre que rectan- gulaire. Uneutelle forme, non rectangulaire,est représen- tée sur les figures 2D et 2E. La consolidation s'effectue suivant l'axe des pré- formes, dans une direction perpendiculaire au plan de la spi- raie, c'est-à-dire suivant les flaches 30.-Dans ces condi- tions, il n'y a pas de risque de flambage ou de cassure de filament, et la concentricité est facilement maintenue. En variante, l'enroulement conjoint peut être ef- fectué autour d'un mandrin conique. L'enroulement conique ainsi obtenu peut ensuite être aplati en une structure plane, lorsque le mandrin est retiré. Toutefois, dans cette varian- te, l'alignement des filaments risque d'être médiocre. La configuration illustréesur les figures 2D et 29 a été choisie pour montrer que le module de base con- vient pour la fabrication d'anneaux qui n'ont pas une sec- tion transversale rectangulaire. On choisit les dimensions de chaque module 15 en fonction de sa position prévue dans la construction de l'anneau. Les filaments peuvent être de tout type de fila- ment de renforcement, par exemple carbone, bore, carbure de silicium, nitrure de silicium, alumine, graphite, etc. En variante, on peut utiliser des combinaisons ou des dérivés de ces filaments. Par exemple, un filament de bore revêtu de B C ou un filament de carbure de silicium comportant' des revêtements ou des traitements de surface en autres matières, telles qu'une couche de carbure de silicium riche en carbone ou une couche de siliclum, sont considérés comme des filaments dérivés. Très souvent, les filaments-tels que le bore et le carbure de silicium sont revêtus pour obte- nir des caractéristiques particulières et ces filaments dé- rivés sont également utilisables. L'invention s'applique principalement à l'utili- sation de filaments ayant un module-de flexion élevé ou une très grande rigidité, par exemple une résistance à la trac- tion dépassant 24500.105 Pa et un module d'élasticité dépas- ssant 210.109 Pa. Dans chaque cas, ces filaments rigides ont un rayon de courbure minimum qui détermine en fait le ia.mbtre de l'ouverture ou du trou 23, ou bien le rayon mi- nimum des surfaces courbes dans le cas d'un trou non circu- laire tel qu'un trou ovale. Il ne semble pas qu'il y ait une limitation à l'étendue radiale de la spirale. L'invention s'applique principalement à des structures à matrice en métal, utilisant des matières de matrice telles qu'aluminium, titane, magnésium, cuivre,etc. Toutefois, il est entendu que la structure peut être utili- sée avec une matrice en résine, par exemple en époxy ou polyimide. Les figures 3A à 3C illustrent deux modes de fabrication d'une oreille de fixation, utilisant la struc- ture modulaire de base 15. Sur la figure 3A, on voit, au centre, une monocouche unidirectionnelle 10 de matériau composite. Le module de base 15 est placé dans un trou 32 ménagé dans la monocouche unidirectionnelle 10. Au-dessus et au-dessous de la structure ainsi définie sont placées d'autres monocouches 10 à filaments unidirectionnels. Cha. cune de ces monocogches comporte,en alignement coaxial avec le module de base 15, une feuille mince 34 de même configu- ration et de même dimension que le module de base 15. Une pluralité de parties dépassantes 36, indiquées sur la figure 3A, sont enlevées des diverses monocouches 10, avant la con- solidation de l'ensemble. L'oreille finie est obtenue par consolidation de l'ensemble des monocouches, des feuilles minces et des modu- les de base,le long de l'axe, comme décrit précédemment. La consolidation est effectuée par application de chaleur et de pression suffisantes pour permettre ou forcer la liaison par diffusion de la matrice, contenue dans la feuille 34, dans l'enroulement conjoint du module de base 15 et de la matrice des monocouches. Pour l'aluminium, la consolidation est du type à "fusion à chaud" dans un autoclave ou un ap- pareil à haute pression, à une température de 600 à 615 C et une pression de 56.105 Pa à 70.105 Pa, pendant 30 minu- tes, par exemple. Pour le titane, la consolidation est du type à "liaison par diffusion" dans une presse à chaud ou un appareil à haute pression, à une température de 900 C à 955 C et une pression de 420.105 Pa à 560.10 Pa, pendant une heure, par exemple. Le résultat est une structure homo- gène, du type représenté sur la figure 2E, dans laquelle il n'y a pas de limites discernables dans la matrice entre les feuilles 34, le module de base 15 et les monocouches 10. De préférence, les monocouches, unidirectionnelles sont empilées ou superposées de manière à obtenir la confi- guration désirée. Un premier orifice est défini à travers l'épaisseur de l'empilage. On place dans ce premier orifice un anneau préformé de modules de même configuration que cet orifice. La combinaison des monocouches unidirection- nelles et de l'anneau est ensuite consolidée en une struc- ture unitaire. En variante, si l'épaisseur de la partie circulai- re de l'oreille n'a pas besoin de correspondre à l'épais- seur de la superposition de monocouches, on peut interposer une module de base 15 entre des monocouches de filaments unidirectionnels,comme représenté sur la figure 3C sur la- quelle les trous dans la couche unidirectionnelle 10 et le module 15 sont de même dimension et alignés les uns au- dessus des autres. Après consolidation, il est clair que l'oreille a une épaisseur supérieure à celle qui résulte de la superposition des monocouches. Bien entendu, ce principe modulaire peut également être utilisé pour obtenir un anneau préformé à matrice métal- lique,dans une superposition de matrice époxy renforcée uni- directionnelle, et inversement. En résumé, l'invention est définie par une mono- couche de base d'un enroulement conjoint de filaments de renfort et d'une matière de matrice, dans une configuration sensiblement en spirale. On utilise des moyens de maintien de la spirale, par exemple un lien acrylique sacrifié. Une variante de la structure modulaire de base consiste à cou- vrir le mQd4le 15 aveç une feuille en mêe matière de matri- ce. L'épaisseur de l, feuille et les dimensions de la bande de matrice 26 qui constitue l'enroulement conjoint détermi- nent le pourcentage de volume relatif entre le renforcement et la matrice du composite. I1 est entendu que des mQdifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sQrtir du cadre de celle-ci. 2574342-- Revendications 1. Structure filamentaire modulaire (15) pour composi- tes, caractérisée en ce qu'elle comprend une manocouche d'un filament continu (24) enroulé en spirale plane autour d'un axe, les filaments adjacents étant attachés au moins localement (25) pour empocher le déroulement de la spirale, les spires adjacentes de la spirale étant de préférence séparées par une matière de matrice désirée (26). 2. Structure modulaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le filament a une résistance à la traction supérieure 4 24500.105 Pa et/ou un module d'élas- ticité supérieur à 210.109 Pa, les filaments étant de pré- férence choisis parmi les types de matières telles que car- bone, bore, carbure de silicium, nitrure de silicium, alu- mine, graphite, ou leurs combinaisons oq dérivési 3. Structure modulaire suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la spirale est recouverte d'une feuille (28) en matière de matrice métallique désirée. 4. Structure filamentaire composite, caarctérisée en ce qu'elle comprend une superposition de monocouches adja- centes de filaments continus enroulée en spirale et répar- tis dans une matrice. 5. Procédé de-fabrication d'une structure filamen- taire modulaire enroulée en spirale, pour l'obtention d'une structure composite contenant des renforcements fila- mentaires répartis dans une matrice, caractérisé en ce qu'il consiste à: appliquer une matière de matrice en butée le long d'un renforcement filamentaire; enrouler la combinai- son du filament et de la matière de matrice en une configu- ration spirale plane; et attacher au moins localement les spires adjacentes de cette spirale les unes aux autres pour empêcher le déroulement de la spirale. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le recouvrement de la spirale avec la matière de matrice. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la superposition d'une pluralité de spirales recouvertes et leur consolidation en une struc- ture composite unitaire, le pourcentage en volume des fila- ments et de la matrice étant de préférence modifié par va- riation de l'épaisseur de la dite matière de matrice en bu- tée ou de ladite matière de matrice de recouvrement. 8. Procédé de formation d'un orifice composite à ren- forcement filamentaire de haute résistance, dans une struc- ture composite comportant des filaments unidirectionnels répartis dans une matrice, caractérisé en ce qu'il consiste à superposer une matière composite à renforcement filamen- taire unidirectionnel, comportant un premier orifice défini à travers l'épaisseur de l'empilage; insérer dans le pre- mier orifice un anneau de forme correspondante,en matière composite, comportant des couches espacées de filaments con- tinus enroulés en une configuration spirale plane et répar- tis dans une matière de matrice; et consolider la matière unidirectionnelle et l'anneau en une structure unitaire. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la matière unidirectionnelle et l'anneau ont la même matière de matrice métallique, et en ce que la consoli dation est effectuée par liaison par diffusion de l'anneau à la matière unidirectionnelle, de manière à obtenir une structure unitaire homogène. 10. Procédé de:formation d'un orifice à renforcement filamentaire dans une matière à renforcement filamentaire unidirectionnel, caractérisé en ce qu'il consiste à utili- ser une pluralité de couches de matière à renforcement fi- lamentaire unidirectionnel, comportant un premier orifice; interposer entre les couches adjacentes de cette matière unidirectionnelle un module comprenant une couche d'un fi- lament continu enroulé en une spirale annulaire plane, cet anneau présentant un deuxième orifice conforme au premier orifice, les premier et deuxième orifices étant alignés l'un au-dessus de l'autre; et consolider la matière unidirection- nelle et les modules en une structure unitaire.