Brevet FR2587375A1 — publié le 19870320

MANDRIN POUR LA FABRICATION COMPLETE DE PIECES CREUSES COMPORTANT UNE ARMATURE MULTIDIRECTIONNELLE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE PIECE A L'AIDE DE CE MANDRIN L'invention concerne principalement un mandrin pour la fabrication complète de pièces creuses comportant une armature constituée de fils s'étendant selon au moins trois directions différentes. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce creuse de ce type au moyen d'un tel mandrin. Les pièces creuses constituées d'une armature de fils s'étendant selon au moins trois directions différentes et d'un matériau de remplissage assurant la densification de cette armature connaissent actuetle- ment un essor important. Par "densification", on désigne la ou les opérations permettant de remplir les vides de l'armature, ce qui a pour effet d'en augmenter la densité. L'essor des pièces ainsi réalisées est dû en grande partie à leurs qualités de résistance mécanique et thermique dans toutes les directions. On utilise notamment de telles pièces dans les secteurs automobiles et aéronautiques, par exemple pour la fabrication d'éléments de freins et d'embrayage et pour la réalisation des parois des chambres à combustion et des pistons des véhicules automobiles. Pour réaliser de telles pièces, on a décrit dans le brevet français n0 2 408 676 déposé le 23 septembre 1977 au nom du Commissariat a l'Energie Atomique un procédé particulièrement intéressant notamment en raison de sa facilité de mise en oeuvre et des grandes possibilités qu'il offre aussi bien en ce qui concerne les dimensions des pièces réalisées qu'en ce qui concerne la densité des fils constituant l'armature de ces pièces. Ce procédé repose sur l'utilisation d'un mandrin support réalisé en un matériau apte à recevoir des picots par implantation directe par pression avec ou sans préperçage tel qu'une mousse à base de polyuréthane ou une mousse phénolique. Au cours d'une première opération, on implante sur ce mandrin des rangées de picots réalisés en un matériau textile filiforme prérigidifié par exemple par imprégnation d'une résine durcissable, de façon à délimiter entre les picots des couloirs longitudinaux et circonférentiels. On dispose ensuite par tramage et par bobinage des fils longitudinaux et circonférentiels dans les couloirs formés entre les picots, afin de réaliser des nappes successives superposées.La structure ainsi obtenue, constituée de fils entrelacés selon trois directions différentes, présente un certain pourcentage de vides dans lesquels on introduit ensuite un matériau de remplissage tel qu'une résine phénolique. En élevant la température jusqu'S environ 170 C, on polymérise La résine, ce qui permet d'assurer la rigidifixation de la strwcturA et d'en compléter La densification. Le mandrin est alors éliminé par usinage. Ce procédé connu repose principalement sur l'utilisation d'un mandrin support choisi essentiellement pour ses propriétés mécaniques. En effet, le matériau qui le constitue doit être assez rigide pour garantir un dimensionnement satisfaisant de I'inté- rieur de la pièce et une bonne tenue des picots implantés et suffisamment déformable pour permettre une implantation des picots sous l'effet d'une force limitée. Les mousses utilisées habituellement dans ce procédé doivent en outre supporter une élévation de température jusqu a environ 1700C, correspondant à la polymérisation de La résine. Cependant, les mousses à base de polyoréthane et les mousses phénoliques utilisées actuellement dans La composition des mandrins ne résistent pas à des tem pératures sensiblement plus élevées qui sont atteintes lors de la densification de la structure dans certains cas particuliers. Un premier de ces cas particuliers concerne les procédés dans lesquels la densification de La structure est obtenue par pyrolyse d'une résine phénolique remplissant cette dernière. En effet, la pyrolyse de la résine nécessite un traitement thermique à environ 7000C qui n'est pas supporté par les mandrins en mousse de polyuréthane ou en mousse phénolique. Un autre cas particulier concerne les procédés dans lesquels des brais de carbone fondant à haute température (800 å 900 C) sont utilisés pour assurer la densification de la structure. Un troisième cas particulier dans lequel les mandrins actuels ne peuvent être utilisés tout au long du procédé décrit précédemment concerne la fabrication des pièces creuses dites "carbone-carbone", dans les- quelles les fils constituant la structure ainsi que le matériau remplissant les vides de cette structure et assurant donc sa densification sont constitués par du carbone. En effet, quelle que soit la technique utilisée pour densifier la structure, il est toujours nécessaire d'élever la température nettement au-delà des limites de températures supportées par les mandrins en mousse à base de polyuréthane ou en mousse phénolique. Cette remarque est illustrée notamment par la demande de brevet français n0 81 22 163 déposée le 26 novembre 1981 par le Commissariat à llEnergie Atomique qui décrit notamment, dans le cas de la fabrication d'une pièce "carbone-carbone", un procédé de densification nécessitant une élévation de la température jusque: environ 1100 C. On citera également le brevet français n0 2 479 173 déposé le 28 mars 1980 par le Commissariat à l'Energie Atomique et par L'Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales, selon lequel la densification d'une pièce, notamment du type "carbone-carbone", est obtenue par injection de brais de carbone à haute température (6000C à 900 C) et sous haute pres Si on. Dans tous les cas qui viennent d'être cités et qui ne sont bien évidemment pas limitatifs, il n'est pas possible de réaliser actuellement la densification de la structure sur le mandrin ayant servi à l'implantation des picots, puis aux opérations de bobinage et de tramage des fils dans les couloirs formés entre ces picots. En effet, on ne dispose pas actuellement d'un mandrin présentant à la fois les propriétés mécaniques requises pour permettre une bonne implantation mécanique des picots et une résistance thermique suffisante pour atteindre des températures variant entre 7000C et plus de 11000C. Pour cette raison, lorsque de telles températures sont atteintes actuellement lors de l'étape de densification, il est d'usage d'éliminer le mandrin en mousse par usinage et de le remplacer par un mandrin réalisé en un autre matériau (par exemple métallique) résistant à cette température avant d'effectuer la densifi-cation. Il apparaît immédiatement que cette nécessi- té de remplacer le mandrin au cours de la fabrication de la pièce pénalise sérieusement le procédé, d'une part en en augmentant le coût et la durée, d'autre part en introduisant des problèmes techniques supplémentaires tels que ceux qui peuvent résulter notamment d'une dilatation différentielle entre la pièce et le mandrin utilisé lors de la densification. La présente invention a précisément pour objet un mandrin présentant à la fois les qualités mécaniques requises par la mise en oeuvre du procédé décrit dans le brevet français n0 2 408 676 et les qualités de résistance thermique permettant de réaliser l'ensemble du procédé sur ce même mandrin, même lorsque la montée en température lors de l'étape de densification atteint ou dépasse 7000 C. A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un mandrin pour la fabrication complète de pièces creuses par implantation de picots sur le mandrin, mise en place de fils selon au moins deux directions différentes dans les couloirs formés entre les picots, puis densification de la structure ainsi obtenue sur le mandrin, ce mandrin étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un matériau présentant, au moins dans une zone périphérique, une résistance à la compression autorisant l9mplantation des picots (par exempLe comprise entre 1 M Pa et 50 M Pa), ce ~etêriau conservant son intégrité géométrique jusqu'à une température bau moins 7000 C environ. De préférence, le matériau utilisé est un matériau minéral tel que de la silice, de l'alumine, du carbone, du graphite, du nitrure de silicium, du carbure de tungstène ou de silicium. Parmi ces matériaux, on choisira de préférence la silice qui autorise une montée en température pouvant atteindre et- même dépasser largement 11000C. Selon un premier mode de réalisation de L'invention, le matériau se présente sous la forme d'une mousse, c'est-å-dire qu'il présente une structure poreuse ou alvéolaire. Si Les dimensions de La pièce à réaliser l'exigent, le mandrin comprend au moins deux blocs de mousse solidarisés par au moins une pièce de liaison interne sur laquelle les blocs sont collés au moyen d'une colle résistant également à une température d'au moins 7000C environ. Selon un autre mode de réalisation de l'in vention, le matériau minéral se présente sous la forme d'un feutre, collé sur un support interne au moyen d'une colle résistant à une température d'au moins 7000C environ. Le mandrin selon l'invention se caractérise essentiellement, comme on l'a vu, par le fait que ses caractéristiques mécaniques permettent l'imptantation et le maintien des picots et par le fait qu'il peut supporter une température d'au moins 7000C environ.Ce mandrin trouve donc une application privilégiée lorsqu'il est utilisé pour mettre en oeuvre le procédé décrit dans le brevet français 2 408 676, dans le cas où l'étape de densification de la structure constituant l'ossature de la pièce nécessite une montée en température supérieure ou égale à 7000C.Cette application n'est cependant pas limitative et on comprendra aisément qu'un tel mandrin peut aussi être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé décrit dans le brevet fran çais 2 408 676, même lorsque l'étape de densification est réalisée sans que la montée en température n'attei- gne 7000 C. Cette remarque est valable notamment dans le cas où le mandrin selon l'invention est réalisée en silice. En effet, le coût de ce matériau est très inférieur à celui des mousses phénoliques utilisées habituellement. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce creuse, ce procédé comprenant de façon connue notamment du brevet français n0 2 408 676 les étapes suivantes - implantation de picots sur un mandrin, de façon à former entre les picots des couloirs s'étendant selon au moins deux directions différentes - mise en place de fils dans les couloirs formés entre les picots, de façon à former des couches de fils s'étendant alternativement selon chacune desdites directions ; et - densification de la structure ainsi obtenue. Conformément à l'invention, ce procédé se caractérise en ce que, lorsque l'étape de densification de la structure s'effectue à une température d'au moins 7000C environ, toutes les étapes sont effectuées au moyen d'un mandrin unique réalisé de la manière définie précédemment. Préalablement à l'implantation des picots sur le mandrin, on donne à ce dernier la forme souhaitee soit par usinage, soit, dans le cas où le matériau constituant le mandrin se présente sous la forme d'un feutre, par formage. Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention, vont maintenant être décrits, à titre illustratif et nullement limitatif. Le procédé de fabrication de pièces creuses comportant une ossature de fils s'étendant selon au moins trois directions différentes se caractérise donc conformément à l'invention par le fait que la fabrication de la pièce s'effectue en totalité sur un mandrin unique, même lorsque La température s'élève au cours de cette fabrication jusqu'à 7000C ou plus. De façon connue, la première étape de ce procédé consiste à implanter dans la zone périphérique du mandrin, sur une profondeur d'environ 15 mm par exemple, des picots constitués de préférence par des fils de longueur et de diamètre déterminés, rigidifiés notamment par une imprégnation préalable d'une résine thermodurcissable. L'implantation des picots s'effectue soit directement, soit après avoir réalisé auparavant des perforations dans le mandrin. Dans l'un et l'autre cas, la force applicuée sur les picots pour effectuer l9mplantation est limitée, notamment pour des picots de petit diamètre. Les picots sont implantés sur le mandrin selon un réseau donné, de façon à former entre eux des couloirs selon au moins deux directions différentes. Lorsque la pièce à réaliser est une pièce de révolution, les picots sont te plus souvent implantés radialement, de façon à former entre eux des couloirs longitudinaux et des couloirs circonférentiels. Au cours de la deuxième étape du procédé, on dispose alternativement dans les couloirs ainsi formés entre les picots des couches d'un ou plusieurs fils orientés alternativement selon les directions définies par ces couloirs. Dans le cas particulier de la fabri- cation d'une pièce de révolution, on dispos#e donc al- ternativement des couches de fils dans les couloirs longitudinaux et dans les couloirs circonférentiels formés entre les picots. Une machine permettant de réaliser ces opérations est décrite en détail dans le brevet français n0 2 315 562. Il est à noter qu'au cours de ces opérations, Les picots doivent être maintenus de façon suffisamment rigide par Le mandrin pour que Leur orientation ne soit pas modifiée au point d'empêcher La mise en place des fils. Les fils qui constituent les picots, de même que les fils qui sont placés dans Les couloirs formés entre ces picots, peuvent être aussi bien des fils que des filaments, des fibres ou des mèches. De plus, selon la destination de la pièce å réaliser, ces fils peuvent être réalisés en graphite, en carbone, en verre, en silice, en polyamide, en polyimide, etc... Lorsqu'un nombre de couches de fils satisfaisant a été placé dans les couloirs formés entre les picots, on obtient autour du mandrin une structure formée de fils s'étendant seLon au moins trois directions différentes et constituant l'ossature de la pièce à réaliser. Cette structure se présente sous la forme d'un réseau de fils formant entre eux des vides répar tis dans toute l'épaisseur de la structure. La dernière étape du procédé, dite de densification, a justement pour objet de remplir les vides de cette structure afin d'en accroître la densité et de la rigidifier. Selon la pièce à réaliser, cette étape de densification exige une montée en température qui peut être très variable. Ainsi, lorsque la densification s'effectue en injectant une résine dans la structure, puis en polymérisant cette résine, la montée en tempé rature ne dépasse pas 1700C environ. Au contraire, lorsque l'étape de densification exige la pyrolyse de la résine phénolique, la tem pérature s'élève à environ 7000C. De même, lorsque la densification s'effectue par injection de brais de carbone, cette injection s'effectue sous haute pression et à une température comprise entre 6000C et 9O00C. Enfin, lorsque la den-sification s'effectue par décomposition d'un hydrocarbure liquide tel que du cyclohexane à l'intérieur de la strucuture, la montée en températu re peut atteindre 10000C à 13000C. Conformément à l'invention, si l'on veut que l'étape de densification soit réalisée sans retirer la structure du mandrin sur lequel on a réalisé au préalable l'implantation des picots et le dépôt des fils en couches successives, même dans le cas ou cette étape de densification s'effectue à haute température, le mandrin doit satisfaire à des conditions de résistance mécanique et thermique contradictoires. En premier lieu, afin que l'implantation des picots dans le mandrin ainsi que le maintien des picots puissent se faire de façon satisfaisante, la résistance à la compression~rR doit être compatible avec les conditions d'implantation des picots. La deuxième condition que doit nécessaire- ment remplir Le mandrin est qu'il doit conserver son intégrité géométrique jusqu'à une température d'au moins 7000C environ. Par ailleurs, la masse volumique p du mandrin est de préférence inférieure à 0,5 et son coeff i- cient de dilatation Oc, de préférence inférieur à 100.10 60C dans les conditions de températures considérées, c'est-à-dire par exemple entre 0 et environ 700 C. Enfin, le rapport des modules d'élasticité E du mandrin à la température maximum atteinte lors de la densification (par exemple à 7000C) et à la température ambiante (c'est-à-dire à environ 200C) est, de préférence, supérieur à 0,5. Une première famille de matériaux satisfaisant ces conditions concerne les mousses minérales ou non organiques. Parmi ces mousses, on citera principalement tes mousses de silice. Ces mousses peuvent notamment être fsbriquéesapartir de silice vitreuse obtenue par électrofusion (taux de SiO2 supérieur ou égal à 99,5%). Elles sont élaborées en incorporant un agent pyrophore chimique dans une barbotine. Le mélange est ensuite coulé, puis cuit au four, sous forme de blocs. Des mousses de ce type sont commercialisées notamment par la Société Cotronics sous l'appelation "mousse 310 type 1" et par la Société Vesuvius sous l'appelation "mousse glasrock 50". Les qualités de résistance mécanique de ces mousses de silice s'améliorent jusqu'à 8000C environ et elles peuvent encore être utilisées jusqu'à environ 1100 C. En outre, leur densité finale est de l'ordre de 0,5. De plus, avec ces mousses, la force nécessaire à l'implantation d'un picot de 1 mm de diamètre n1 excède pas environ 15 N, ce qui est très inférieur à la limite fixée par ta machine d'implantation. La mousse de silice se présente sous la forme de blocs dans lesquels le mandrin peut être réalisé directement par usinage, par exemple au tour, dans le cas de la fabrication d'une pièce de révolution. Lorsque les dimensions et notamment la longueur de la pièce à réaliser excèdent les dimensions des blocs de mousse disponibles, il est possible de fabriquer le mandrin en plaçant bout à bout deux ou plusieurs blocs. Ces blocs ne peuvent toutefois pas être collés directement bout à bout. En effet, l'adhésif qui doit être utilisé doit également résister à une température d'au moins 7000C environ. Or, un tel adhésif est beaucoup plus dur que la mousse de silice et ne permettrait pas d'implanter des picots au milieu du joint séparant deux blocs. Pour cette raison, il est proposé de percer un alésage central dans chacun des blocs, de ménager une ou plusieurs rainures longitudinales à l'intérieur de cet alésage et de relier les différents blocs en plaçant dans ces rainures des pièces internes de liaison se présentant sous la forme de clavettes. Ces clavettes peuvent être réalisées également en mousse de silice ou en tout autre matériau résistant à la tempe rature d'au moins 700cl environ. Les clavettes sont fixés dans les rainures à l'aide d'une colle ou d'un ciment résistant également à cette température. On utilise par exemple à cet effet une colle constituée d'une charge d'alumine et d'un liant minéral. L'usinage externe du mandrin s'effectue ensuite à l'aide d'un outil de coupe, par enlèvement de matière dans les blocs de silice. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on utilise pour réaliser la zone périphérique du mandrin, dans laquelle s'effectue l'implantation des picots, un matériau minéral ou non organique (silice, alumine, etc...) se présentant sous la forme d'un feutre. Un tel feutre est commercialisé sous forme de nappes dont l'épaisseur varie généralement de 6 mm à 25 mm. Ce matériau, qui se présente initialement sous forme humide et donc malléable, devient rigide et conserve sa forme initiale après cuisson par étuvage ventilé à environ 800C pendant au moins 48h. Ses caractéristiques mécaniques et thermiques sont alors équivalentes à celles des mousses en matériaux minéraux. Conformément à l'invention, on utilise de préférence un feutre constitué de fibres de silice et d'un liant minéral constitué par exemple d'un mélange de silicates. Un tel feutre autorise une montée en température jusqu'à 110O0C au moins. On peut utiliser aussi un feutre composé de fibres d'alumine imprégnés d'un liant minéral. Un tel feutre supporte en continu une température d'environ 16500C et peut supporter temporairement une température proche de 2000 C. En pratique, la nappe de feutre est placée sur un support interne réalisé en un matériau satisfaisant également aux conditions de tenue mé#canique et thermique imposées par le procédé. Il peut s'agir notamment d'un ciment ou de tout autre matériau réfractaire de structuration, ou encore d'un grillage rigide ou de tout autre support métallique réalisé en un matériau tel que L'acier "Invar" à faible coefficient de dilatation. Le feutre est fixé sur le support interne au moyen d'un adhésif choisi de façon à résister également à la température d'utilisation, c'est-à-dire à une température d'au moins 7000C environ. A cet effet, on utilisera par exemple un adhésif constitué d'une charge d'alumine et d'un liant minéral, résistant en continu å une température d'environ 16500C. Comme la mousse de silice, le feutre minéral peut être usiné après cuisson par des procédés d'usinage classiques, pour donner à l'extérieur du mandrin la forme souhaitée. La forme extérieure du mandrin peut aussi être obtenue par conformage, ou par moulage sous pression. En effet, le feutre se prête bien à ce type de formage. Un autre avantage de l'utilisation d'un matériau sous forme de feutre concerne le caractère très maléable de celui-ci lorsqu'il est sous forme humide. On peut ainsi réaliser des ébauches de géométrie complexe et de grande dimension. En particulier, la fabrication de pièces ne présentant pas de symétrie de révolution est facilitée par l'utilisation d'un mandrin réalisé de cette manière. Enfin, il est à noter que l'utilisation de feutre de silice permet de réduire le coflt du mandrin de façon très sen- sible par rapport aux mandrins existant actuellement. Cette caractéris tique justifie l'emploi d'un tel mandrin même dans le cas où la température atteinte lors de l'étape de densification est suffisamment basse pour permettre l'utilisation d'un mandrin classique en mousse à base de polyuréthane ou en mousse phénolique. En conclusion, il est maintenant possible grâce au mandrin selon l'invention de réaliser sur un mandrin unique l'ensemble des opérations de fabrication de pièces creuses à ossature multidirectionnelle, même dans le cas où L'étape de densification s'effectue à une température d'au moi ns 7000 C environ. REVENDICATIONS 1. Mandrin pour la fabrication complète de pièces creuses par implantation de picots sur le mandrin, mise en place de fils selon au moins deux directions différentes dans des couloirs formés entre les picots, puis densification de la structure ainsi obtenue sur le mandrin, ce mandrin étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins un matériau présen- tant, au moins dans une zone périphérique, une résistance à la compression autorisantlimplantation des picots, ce matériau conservant son intégrité géométrique jus qu'à une température d'au moins 7000 C. 2. Mandrin selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau est un matériau minéral. 3. Mandrin selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau minéral est la silice. 4. Mandrin selon L'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit matériau minéral se présente sous La forme d'une mousse. 5. Mandrin selon La revendication 4, caractérise en ce qu'il comprend au moins deux blocs de mousse solidarisés par au moins une pièce de liaison interne sur laquelle lesdits blocs sont collés au moyen d'une colle résistant à une température d'au moins 7000C environ. 6. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit matériau minéral se présente sous la forme d'un feutre, collé sur un support interne au moyen d'une colle résistant à une température #'au moins 7000C environ. 7. Procédé de fabrication d'une pièce creuse, comprenant les étapes suivantes : - implantation de picots sur un mandrin, de façon à former entre les picots des couloirs s'étendant selon au moins deux directions différentes ; - mise en place de fils dans les couloirs formés entre les picots, de façon à former des couches de fils s'étendant alternativement selon chacune desdites directions ; et - densification de la structure ainsi obtenue à une température d'au moins 7000C environ, caractérisé en ce que toutes lesdites étapes sont effectuées au moyen d'un mandrin unique réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, préalablement à l'implantation des pi#cots, on usine le mandrin pour lui donner la forme souhaitée. 9. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que, préalablement à l'implantation des picots, on effectue un formage du mandrin, pour lui donner la forme souhaitée.