Brevet FR2584107A1 — publié le 19870102

Procédé de fabrication de structures de révolution tridimensionnelles par aiguilletage de couches de matériau fibreux et matériau utilisé pour la mise en oeuvre du procédé La présente invention concerne la fabrication de structures tridimensionnelles de révolution formées par des couches superposées de matériau fibreux liées entre elles par aiguilletage. Le domaine d'application de l'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, la fabrication de structures de renfort tridimensionnelles destinées à la réalisation de pièces en matériau composite par densification des structures de renfort, notamment pour fabriquer des pièces cylindriques ou annulaires telles que des disques de freins en carbone-carbone. Un procédé connu de fabrication de structures cylindriques par aiguilletage de couches de matériau fibreux est décrit dans le brevet FR 2 506 672. Il consiste à enrouler une bande de matière fibreuse sur un mandrin cylindrique et à effectuer un aiguilletage de la bande sur le mandrin. Toutefois, ce document est silencieux sur les moyens de réaliser effectivement une structure épaisse avec une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur de la structure. Il en est de même pour les brevets FR 2 378 888 et US 3 772 115, ainsi que, bien évidemment, pour les documents de l'état de la technique qui visent la fabrication de structures tubulaires à parois minces (par exemple FR I 570 992, SE 2 048 424 et US 3 909 893). Or,il s'avère que les techniques d'aiguilletage en faible épaisseur ne sont pas telles quelles transposables pour les fortes épaisseurs. Une raison tient à ce que, à partir d'une certaine pénétration dans les couches superposées, les aiguilles perdent de leur agressivité en raison du bouchage de leurs aspérités par des morceaux de fibres arrachés des couches de matériau déjà traversées; les aiguilles ne peuvent alors remplir correctement leur fonction, rendant impossible l'obtention des mêmes caractéristiques d'aiguilletage dans toute l'épaisseur de l'empilement. Or, pour des matériaux destinés à être exposés à des contraintes thermomécaniques sévères, il est important de maintenir les propriétés constantes dans toute la masse afin, par exemple, d'éviter des délaminages. Aussi, selon l'un de ses aspects, la présente invention a- t-elle pour but de fournir un procédé permettant de réaliser des structures tridimensionnelles épaisses par aiguilletage de couches planes superposées avec une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur. Ce but est atteint au moyen d'un procédé du type comprenant les étapes qui consistent à enrouler sur un mandrin une bande de matériau fibreux ayant une largeur sensiblement égale à la dimension axiale de la structure à fabriquer, et, simultanément à l'enroulement, aiguilleter les couches superposées formées par la bande enroulée sur le mandrin, procédé selon lequel, conformément à l'invention,la distance entre le mandrin et les aiguilles est variée au fur et à mesure de l'enroulement de la bande afin de maintenir la profondeur d'aiguilletage sensiblement constante. Pour chaque couche formée par un tour de la bande autour du mandrin, celui-ci est écarté par rapport aux aiguilles d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche aiguilletée. L'aiguilletage est réalisé au moyen d'une planche à aiguilles qui s'étend parallèlement à l'axe du mandrin de préférence sur une longueur au moins égale à la longueur de la bande. L'utilisation d'une planche à aiguilles plus courte est possible mais nécessite un déplacement relatif entre le mandrin et la planche à aiguilles en direction axiale. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé, le mandrin est rotatif et a une surface non perforée recouverte d'un revêtement d'embase destiné à permettre la pénétration des aiguilles sans les endommager lors de l'aiguilletage de la ou des premières couches de la structure. Afin d'éviter un alignement circonférentiel des coups d'aiguilles, qui pourrait nuire à l'homogénéité de l'aiguilletage au sein de la structure, le mandrin et la planche à aiguilles peuvent être soumis à un déplacement mutuel axial alternatif de faible amplitude pendant la fabrication de la structure. Bien entendu, il reste possible d'utiliser un mandrin non rotatif dont la surface présente des perforations en regard des aiguilles de la planche à aiguilles. L'enroulement de la bande est alors réalisé par entraînement de la structure en cours de formation par sa face extérieure. A chaque coup d'aiguilletage, les aiguilles traversent plusieurs couches superposées. Aussi, afin d'obtenir un matériau homogène dans toute son épaisseur, des passes d'aiguilletage de finition sont réalisées après l'enroulement et l'aiguilletage de la dernière couche, de manière que la densité d'aiguilletage dans les dernières couches déposées soit sensiblement égale à celle dans les autres couches. Au cours des passes d'aiguilletage de finition, le mandrin et les aiguilles sont mutuellement écartés comme si de nouvelles couches étaient enroulées. Du fait qu'elles effectuent une partie de leurs course dans l'air au cours des passes de finition, les aiguilles sont plus agressives vis-à-vis des couches supérieures de l'enroulement que si elles avaient dû préalablement traverser d'autres couches avec bouchage plus ou moins important de leurs aspérités. Pour cette raison, le nombre de passes de finition est de préférence inférieur à celui nécessaire pour arriver jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la dernière couche de l'enroulement. Selon un autre de ses aspects, la présente invention vise un matériau fibreux apte à être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. Le choix du matériau fibreux est guidé par l'application envisagée, tout en faisant en sorte que la texture aiguilletée se prête à l'opération de densification, c'est-à-dire présente une porosité ouverte assez importante. Par exemple, la bande de matériau pourra comprendre au moins une couche formée de fibres seules discontinues, obtenue par 8 4 107 cardage, ou une couche de fibres continues obtenue par nappage de câbles ou de fils suivi d'un pré-aiguilletage. Lorsqu'une plus grande tenue mécanique est exigée, on pourra utiliser un complexe constitué d'un tissu (toile ou satin) sur lequel a été aiguillette une nappe de fibres, un tissu formé de filaments continus ou discontinus, ou encore un tissu constitué en chaîne de fils formés de filaments continus ou discontinus et en trame d'une mèche de filature. Par ailleurs, le matériau doit se prêter à l'aiguilletage, ce qui n'est guère le cas des fibres de carbone ou céramiques entrant dbns la composition des matériaux composites utilisés actuellement pour des applications demandant une haute tenue thermomécanique. Dans ce dernier cas, au moins une partie des fibres du matériau sont des fibres précurseurs du carbone ou de céramique qui se prêtent bien à l'aiguilletage, et qui sont ultérieurement transformées en fibres de carbone ou de céramique par traitement de la structure. D'autres particularités et avantages du procédé selon l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci- après, à titre indicatif, mais non limitatif, en référence aux dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 est une vue illustrant très schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et - les figures 2 à 4 illustrent, en coupe, différents stades de la réalisation d'une structure avec le procédé selon l'invention. Une bande 20 de matériau fibreux est amenée de façon continue sur un mandrin 10 entraîné en rotation autour d'un axe horizontal. Le mandrin, ici cylindrique à section circulaire, a un profil correspondant à celui de la structure de révolution à réaliser, tandis que la bande 20 a une largeur correspondant sensiblement à celle de cette structure. La bande 20 est enroulée sur le mandrin pour former des couches superposées qui sont liées entre elles par aiguilletage au moyen d'une planche à aiguilles 12. Celle-ci est située au-dessus de la génératrice supérieure du mandrin 10 et s'étend parallile à l'axe de cs dernier sur une longueur au moins égale à la largeur de la bande 20, avec les aiguilles 13 dirigées verticalement vers le bas. La planche à aiguilles et le mandrin 10 sont mobiles l'un par rapport à l'autre en direction verticale. A cet effet, l'axe du mandrin passe dans des paliers montés sur des supports 14 mobiles verticalement par rapport au bâti sur lequel est montée la planche à aiguilles. Le déplacement vertical des supports 14 est réalisé au moyen de moteurs pas à pas qui sont commandés en synchronisme et qui entraînent des roues dentées sur lesquelles engrènent des chaînes sans fin 16, les supports 14 étant fixés sur ces dernières. L'entraînement en rotation du mandrin 10 est réalisé par un moteur 17 à une extrémité de l'axe du mandrin. A chaque fois qu'une nouvelle couche est formée par enroulement de la bande 20 sur un tour du mandrin 10, celui-ci est descendu par rapport à la planche à aiguilles d'une distance correspondant à l'épaisseur e de la couche aiguilletée. Simultanément à l'enroulement, la bande 20 est aiguillette sur la couche précédente au niveau-même o elle vient se superposer à cette dernière. A chaque pénétration des aiguilles, les aspérités, ou barbes, de celles-ci entraTnent des fibres du matériau des couches traversées, lesquelles fibres réalisent les liaisons radiales entre les bandes superposées. Les figures 2 et 3 montrent les aiguilles respectivement en position haute et en position basse. Les aiguilles pénètrent dans la structure sur une profondeur égale à plusieurs fois l'épaisseur d'une couche aiguilletée (par exemple huit fois). Du fait de l'abaissement progressif du mandrin 10 par rapport aux aiguilles, la profondeur d'aiguilletage est maintenue constante pendant toute l'opération. Afin de pouvoir aiguilleter les premières couches sur le mandrin 10, il est nécessaire de prévoir des moyens permettant d'éviter que les aiguilles 13 viennent buter contre la surface dure du mandrin 10. A cet effet, le mandrin 10 est recouvert d'un 8 4107 revêtement d'embase 11 dans lequel les aiguilles peuvent pénétrer sans être endommagées et sans ramener de particules ou fibres au sein de la structure à fabriquer. Le revêtement 11 peut par exemple être constitué d'une enveloppe lla d'élastomère armé (par exemple une feuille d'"Hypalon" armé d'un tissu de "Nylon") fixée au mandrin 10 et sur laquelle est collée une couche 11b formée d'un feutre d'embase (par exemple feutre de polypropylène) d'épaisseur suffisante pour que les aiguilles, lors de la première passe d'aiguilletage puissent pénétrer sur la profondeur d'aiguilletage prévue sans toucher le mandrin 10. Sur le feutre d'embase est collée une autre enveloppe 11c, par exemple une feuille de polychlorure de vinyle. Au cours de l'aiguilletage, la feuille 11c est traversée par les aiguilles mais évite que trop de fibres provenant du matériau de la bande 20 ne s'incrustent dans le feutre d'embase et compliquent l'enlèvement de la structure terminée. Pour éviter la formation de lignes circonférentielles de coups d'aiguilles, nuisibles à l'homogénéité de la structure réalisée, on pourra provoquer un déplacement alternatif de faible amplitude en direction axiale entre le mandrin 10 et la planche à aiguilles 12. Ceci est réalisé par exemple en communiquant à la planche à aiguilles un mouvement horizontal de va et vient sur une faible distance. On notera, en variante, qu'il est possible de réaliser l'aiguilletage sur un mandrin perforé avec des perforations correspondant aux aiguilles de la planche 12. Dans ce cas, il n'est pas utile de munir le mandrin d'un revêtement de surface tel que le revêtement 11. Le mandrin est alors immobile par rapport à la planche à aiguilles sauf verticalement et c'est la bande déposée sur le mandrin qui est entraînée pour réaliser l'enroulement sur le mandrin. Comme connu en soi, l'entraînement de la bande 20 peut être effectué au moyen d'un ou plusieurs organes tels qu'un cylindre agissant par friction sur la surface extérieure de la structure en cours de fabrication; on notera également que ce mode particulier d'entraînement est applicable dans le cas de l'utilisation d'un mandrin équipé du revêtement 11. Ce dispositif par friction sur la surface extérieure de la structure remplace alors l'entraînement en extrémité de l'axe dhn mandrin assuré par le moteur 17. Afin d'obtenir une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur de la structure, il est nécessaire de procéder à des passes d'aiguilletage de finition après mise en place et aiguilletage de la dernière couche. On procède comme ai de nouvelles couches étaient mises en place. Du fait que les aiguilles traversent alors une certaine distance d dans l'air avant d'atteindre la structure et de parvenir en fin de descente (figure 4), leurs aspérités sont moins bouchées que si elles avaient dû traverser une même distance d à travers le matériau fibreux. Les aiguilles présentent ainsi une agressivité croissante au cours des passes de finition. Pour éviter alors un aiguilletage plus dense dans les couches supérieures, le nombre de couches de finition réalisé (par exemple quatre) est inférieur à celui (huit) qui aurait été nécessaire pour parvenir jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la bande déposée an dernier. La bande en matériau fibreux peut se présenter sous différentes formes, notamment en fonction de l'application envisagée. Ainsi, le matériau fibreux peut être au moins en partie constitué par une couche de fibres discontinues obtenue par cardage (voile de carde), ou par une couche de fibres continues obtenue par croisement de nappes unidirectionnelles de câbles ou fils continus et aiguilletage à faible densité (préaiguilletage) des nappes entre elles. Dans ce dernier cas, le croisement pourra être réalisé comme connu en soi par nappage; l'une des nappes de câbles ou fils unidirectionnelles est alimentée en continu tandis qu'une autre nappe de câbles ou fils unidirectionnelle lui est superposée par vaet-vient an direction perpendiculaire au déplacement de la première nappe. Du fait du déplacement relatif entre les nappes unidirectionnelles, on obtient en fait trois nappes superposées formant entre elles des angles différents de 25841o , par exemple environ 60 . Lorsqu'une tenue mécanique supérieure est demandée à la structure notamment en fonction des propriétés souhaitées du matériau composite final à fabriquer, ou simplement pour assurer une alimentation correcte du mandrin, le matériau fibreux est constitué par au moins une couche tissée par exemple: - un complexe constitué d'un tissu de fils continus ou discontinus (satin ou toile) sur lequel a été aiguilletée avec une faible densité d'aiguilletage une nappe de fibres discontinues obtenue par cardage (voile de carde) ou une nappe de fibres continues, cas nappes étant déposées sur le tissu par nappage, - un tissu seul constitué en chaîne et en trame de fils formés de filaments continus ou discontinus, ou - un tissu seul constitué en chaîne de fils formés de filaments continus ou discontinus et en trame d'une mèche de filature. Les fibres constituant les matériaux décrits ci-dessus peuvent être toutes fibres naturelles, artificielles ou synthétiques, organiques ou minérales, telles quelles ou traitées thermiquement, le choix de la nature des fibres dépendant de l'application envisagée. S'agissant de la réalisation de structures de renfort pour matériaux composites destinés à supporter des efforts thermomécaniques importants, les fibres les plus intéressantes sont les fibres de carbone et les fibres céramiques (alumine, carbure de silicium,...) ainsi que les fibres précurseurs de ces fibres ou toutes fibres constituant un intermédiaire entre fibres précurseurs et les fibres complètement traitées thermiquement. Lorsque la structure tridimensionnelle est réalisée totalement ou en partie à partir de fibres précurseurs ou intermédiaires, elle subit ultérieurement le traitement thermique destiné à conférer aux fibres les propriétés mécaniques optimales. Cette dernière façon de procéder permet de ne pas briser les fibres lors de l'aiguilletage dans le cas o les fibres traitées thermiquement ont des modules trop élevés et des résistances transversales trop faibles pour être aiguilletées sans dommage, comme c'est le cas des fibres carbone et céramiques. Ainsi, les matériaux décrits plus haut pourront être constitués au moins an partie avec des fibres précurseurs de carbone ou de céramique, le reste éventuel des fibres étant en carbone ou en céramique. Par exemple, le matériau fibreux destiné à l'aiguilletage est constitué par un complexe formé d'un tissu de fibres de carbone haute résistance pré- aiguillet avec un voile de carde de fibres de P.A.N. (poly-acrylonitryle, précurseur du carbone) stabilisé. Dans ce complexe, le tissu apporte la tenue mécanique désirée tandis que la nappe de fibres autorise un aiguilletage non destructeur des bandes superposées car les barbes des aiguilles, se couvrant de P.A.N. stabilise, ne blessent pas gravement les fibres de carbone. Par souci d'économie, le tissu sera choisi le plus léger possible compte-tenu des propriétés mécaniques désirées, par exemple avec une masse surfacique comprise entre 100 et 600 g/m2. Dans l'exemple précédent, on pourra bien entendu remplacer indépendamment fibres et/ou précurseurs de carbone par fibres et/ou précurseurs de céramique. Et, inversement, un tissu en fibres précurseurs de carbone ou céramique peut être combiné avec un voile de carde en fibres carbone ou c6ramique. De la même manière, fibres de carbone ou céramique et fibres précurseurs de carbone ou céramique peuvent être combinées en formant indépendamment l'une de l'autre la chaîne et la trame d'un tissu constitué, en chaîne, de fils de filaments continus ou discontinus et, en trame, d'une mèche de filature ou de fils de filaments continus ou discontinus. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de structures de révolution tridimensionnelles par aiguilletage de couches de matériau fibreux, procédé comportant les étapes qui consistent à enrouler sur un mandrin une bande de matériau fibreux ayant une largeur sensiblement égale à la dimension axiale de la structure à fabriquer, et, simultanément à l'enroulement, aiguilleter les couches superposées formées par la bande enroulée sur le mandrin, caractérisé en ce que la distance entre le mandrin et les aiguilles est variée au fur et à mesure de l'enroulement de la bande afin de maintenir la profondeur d'aiguilletage sensiblement constante. 2. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour chaque couche formée par un tour de la bande autour du mandrin, celui-ci est écarté par rapport aux aiguilles d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche aiguilletée. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que le mandrin est rotatif et a une surface non perforée recouverte d'un revêtement d'embase destiné à permettre la pénétration des aiguilles sans les endommager lors de l'aiguilletage de la ou des premières couches de la structure. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on commande un déplacement axial alternatif de faible amplitude du mandrin par rapport aux aiguilles pendant la fabrication de la structure. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le mandrin est fixe et présente en surface des perforations en regard des aiguilles. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enroulement de la bande est réalisé par entraînement de celle-ci du côté extérieur de la structure en cours de formation. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enroulement de la bande est réalisé par entraînement du mandrin en rotation. 8 4 10o 7 lq 8. Procédp selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que les passes d'aiguilletage de finition sont réalisées après l'enroulement et l'aiguilletage de la dernière couche, de manière que la densité d'aiguilletage dans les dernières couches déposées soit sensiblement égale à celle dans les autres couches. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le nombre de passes de finition est inférieur à celui nécessaire pour arriver jusqu'au moment o les aiguilles n'atteignent plus la dernière couche de l'enroulement. 10. Matériau fibreux destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué par des nappes unidirectionnelles de câbles ou fils croisées et pré-aiguilletées entre elles. 11. Matériau selon la revendication 10, caractérisé en ce que les nappes sont croisées en formant des angles d'environ 600 . 12. Matériau selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les nappes sont constituées, indépendamment l'une de l'autre, de câbles ou fils dont les fibres sont en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, et les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques. 13. Matériau fibreux destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche tissée. 14. Matériau selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est au moins en partie constitué par un tissu de fils continus ou discontinus sur lequel un voile de carde est pré- aiguilleté. 15. Matériau selon la revendication 14, caractérisé en ce que le tissu et le voile de carde sont constitués, indépendamment l'un de l'autre, par des fibres en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques. 16. Matériau selon la revendication 13, caractérisé en ce 8 4 107 qu'il est au moins en partie constitué par un tissu dont la chaîne est formée de fils continus ou discontinus et la trame d'une mèche de filature. 17. Matériau selon la revendication 16, caractérisé en ce que la cha!ne et la trame sont constituées, indépendamment l'une de l'autre, par des fibres en une matière choisie parmi le carbone, les céramiques, les précurseurs de carbone et les précurseurs de céramiques.