Brevet FR2633213A1 — publié le 19891229

PROCEDE DE REALISATION D'UNE REFORME FIBREUSE POUR LA FABRICATION DE PIECES EN HATERIAU CoMPOSITE AYANT LIE FORME COMPLEXE La présente invention concerne un procédé de réalisation d'une préforme fibreuse pour la fabrication de pièces en matériau composite ayant une forme complexe, notamment une forme non développable. La fabrication d'une pièce en matériau composite comprend une étape de réalisation d'une préforme, généralement obtenue à partir d'un matériau à base de fibres, et destinée à constituer une texture de renfort. La préforme est densifiée par un matériau formant la matrice du matériau composite, l'étape de densification mettant en oeuvre des techniques bien connues telles que l'imprégnation liquide ou l'infiltration par dépôt chimique en phase vapeur. Dans un souci évident d'économie, on cherche à conférer à la préforme fibreuse une forme approchant le mieux possible celle de la pièce composite à réaliser. Un tel résultat peut être obtenu assez facilement dans le cas de pièces de formes simples, par exemple parallélépipédiques ou cylindriques, notamment par empilage (drapage) ou bobinage de textures bidimensionnelles telles que des tissus. Il n'en va pas de même dans le cas de pièces composites de formes développables. Différents procédés ont été proposés pour réaliser des préformes fibreuses destinées à la fabrication de pièces composites ayant des formes plus ou moins complexes. Ainsi, la demande de brevet français No 2 565 159 décrit un procédé consistant à réaliser séparément plusieurs éléments par enroulement filamentaire, puis à assembler les éléments entre eux pour obtenir la préforme voulue. Le procédé nécessite des assemblages qui sont délicats à réaliser pour conférer à la préforme la cohésion nécessaire. Par ailleurs, il peut être préféré dans certains cas de faire appel à des textures bidimensionnelles, notamment des tissus, plutôt qu'à des fils pour réaliser la préforme fibreuse par empilage ou drapage, de couches de tissus. Un système de drapage destiné à la réalisation de pièces composites est décrit dans la demande de brevet français No 2 547 240. Ce système comprend des moyens automatisés de découpe d'un matériau en bande pour former la préforme fibreuse par drapage des découpes ainsi obtenues. Un tel système reste limité dans son application à la réalisation de préformes formées par empilage de strates à plat. Un procédé permettant la réalisation de préformes de révolution non cylindriques est décrit dans le brevet français No 83 20 948. Ce procédé consiste à former chaque couche de la préforme par bobinage de spires consécutives d'une bande de matériau fibreux de largeur suffisamment petite pour s'accommoder du profil non cylindrique de la préforme. Un tel procédé convient tout à fait pour réaliser des préformes tronconiques ou à profil en cloche ou en "coquetier", mais ntest plus applicable dans le cas de préformes présentant des déformations locales de grande amplitude. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de fournir un procédé permettant de réaliser des préformes fibreuses pour la fabrication de pièces-composites de formes non développables, à partir d'une texture fibreuse de renfort constituée par un tissu et tout en pouvant s'accommoder de discontinuités locales de forme, même de forte amplitude. Plus particulièrement, la présente invention a pour but de fournir un procédé grâce auquel une préforme fibreuse destinée à une pièce composite de forme non développable, peut être fabriquée par drapage de tissu. Conformément à l'invention, le tissu est soumis localement à un traitement préalable de découpe sélective de fils de chaîne et/ou de trame pour permettre, lors de la mise en forme du tissu drapé en couches superposées, un glissement des -fils de chaîne et/ou de trame prédécoupés autorisant l'adaptation de chaque couche à la forme non développable de la pièce à fabriquer. Le drapage peut être réalisé par empilement de strates de tissu ayant chacune subi un traitement préalable de découpe de fils, mises en forme dans un outillage formé d'un poinçon et d'une matrice. Dans certains cas, la préforme pourra être réalisée par enroulement d'une bande de tissu ayant subi un traitement préalable de découpe de fils, l'enroulement étant réalisé sur un mandrin dont la forme correspond à celle de la préforme à réaliser. La découpe des fils permet une expansion locale de chaque couche de tissu, cette expansion étant obtenue par glissement avec écartement mutuel des tronçons de fils prédécoupés. La découpe des fils peut également être réalisée de manière à ménager, entre tronçons de fils prédécoupés, des intervalles suffisants pour autoriser un resserrement local du tissu par glissement avec rapprochement mutuel des tronçons de fils. Les zones du tissu où sont pratiquées des découpes sélectives des fils de chaîne et/ou de trame sont celles qui, lors du drapage, se situent aux emplacements des discontinuités de forme de la préforme. Le pas de découpe de chaque fil est choisi inférieur à une valeur maximale au-delà de laquelle le glissement du fil ne se produit plus lors de la déformation du tissu, celui-ci se comportant alors comme un tissu à fils non coupés. La valeur maximale du pas de découpe dépend de la capacité de glissement du fil au sein du tissu, elle-même fonction de la nature du fil, du type d'armure et de l'ensimage. Une élimination, même partielle, de l'effet de l'ensimage au moment du drapage peut permettre une augmentation de la valeur maximale du pas de découpe. Cette élimination est réalisée par exemple par carbonisation ou par imprégnation d'un solvant approprié. Dans ce dernier cas, la mise en forme des couches de tissu est de préférence réalisée avant séchage du solvant. La capacité de glissement des fils peut avantageusement être améliorée par imprégnation au moyen d'une résine qui, après mise en forme des couches de tissu, peut être polymérisée pour conférer de la rigidité à la préforme obtenue. En pratique la valeur maximale du pas de découpe est déterminée par essai, et la valeur retenue est choisie par exemple égale à 75 % de la valeur maximale prédéterminée. Dans le cas d'un tissu ouvert (ou aéré), les fils peuvent être découpés individuellement sans détériorer les fils voisins. Dans le cas d'un tissu fermé, la découpe est effectuée le long de traits pour s'assurer qu'il ne subsistera pas de fils découpés avec un pas supérieur à la valeur prédéterminée. La découpe est effectuée par mise en oeuvre de techniques connues telles que la découpe par laser ou la découpe par jet d'eau. L'invention sera mieux comprise ô lé lecture de 3.8 description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif. On se référera aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue très schématiuqe illustrant dans son principe la prédécoupe de fils de tissu dans le cadre du procédé conforme à l'invention - la figure 2 illustre un mode de réalisation de la prédécoupe de fils dans un tissu - la figure 3A est une vue d'une pièce à réaliser en matériau composite; - la figure 3B montre une strate de tissu dont les fils de chaîne et de trame ont subi des découpes sélectives en vue de former par drapage une préforme fibreuse destinée à la fabrication de la pièce de la figure 3A - la figure 3C montre des strates de tissu telles que celle de la figure 3B après mise en forme par un ensemble poinçon-matrice pour obtenir la préforme fibreuse destinée à la fabrication de la pièce de la figure 3A ; et - les figures 4 à 7 illustrent respectivement la réalisation dequatre préformes fibreuses par drapage par enroulement d'une bande de tissu dont les fils ont subi des prédécoupes sélectives selon le procédé conforme à l'invention. La figure 1 montre de façon très schématique une strate de tissu formé de fils de chaîne let de fils de trame 2. Conformément à l'invention, les fils sont découpés de façon à permettre à la strate de tissu d'épouser une forme complexe sans former de replis, l'adaptation du tissu à la forme voulue résultant de la faculté de glissement au sein du tissu, donnée aux fils prédécoupés. Dans l'exemple illustré par la figure 1, les fils de chaîne et de trame sont découpés en segments 3 et 4 dans une partie de la strate de tissu pour permettre à cette partie d'épouser une forme hémisphérique par glissement des segments prédécoupés. Dans la partie subissant une forte déformation locale, l'allongement du trajet imposé aux fils de chaîne et de trame se traduit par la formation d'espaces 5 entre segments successifs d#un même fil. Une préforme complète est réalisée par drapage, la superposition des strates de tissu pouvant être effectuée par enroulement sur un mandrin ou par empilement. La mise en forme des strates empilées est alors produite soit en conférant au mandrin la forme voulue soit en comprimant les strates empilées entre poinçon et matrice de formes complémentaires correspondant à la forme voulue. Pour la commodité de l'illustration, la figure 1 montre un maillage très grand par rapport à des segments de fils 3 et 4 très courts. En réalité, le pas de découpe p des fils est tel que chaque segment de fil traverse normalement plusieurs dizaines de mailles. Il est souhaitable de conférer au pas de découpe une valeur aussi grande que possible tout en respectant, pour chaque segment de fil, la nécessité de pouvoir glisser par rapport au reste de la texture lors de la mise en forme des strates de tissu, sinon le comportement du tissu serait celui d'un tissu sans fils découpés. A cet effet, le pas de découpe ne doit pas dépasser une valeur maximale. Cette valeur maximale, qui dépend des caractéristiques de frottement du fil dans le tissu, est par conséquent fonction d'un certain nombre de facteurs dont la nature du fil, le type d'armure et l'ensimage. Généralement, le glissement du fil est contrarié par l'ensimage. Aussi, pour conserver aux segments de fil la plus grande longueur possible et préserver aussi les qualités de renfort de la préforme, il peut être souhaitable d'éliminer ou neutraliser au moins en partie l'ensimage. A cet effet, les strates de tissu pourront être soumises, avant mise en forme, à un traitement d'élimination d'ensimage par carbonisation, ou, au cours de la mise en forme, à un traitement d'imprégnation par un solvant approprié, la mise en forme étant achevée avant séchage du solvant. A titre indicatif, avec une toile formée de fils en carbure de silicium ensimés, il a été observé que le pas maximum de découpe était porté de 15 mm à 200 mm par neutralisation de l'ensimage. Il apparaît donc que, selon la nature du fil, le type d'armure et la présence ou non d'ensimage, le pas maximum de découpe doit être déterminé expérimentalement, la valeur du pas maximum étant celle au-delà de laquelle le glissement des segments de fils lors de la mise en forme des strates ne se produit plus de façon satisfaisante. De préférence, le pas de découpe choisi est le plus grand possible, tout en étant inférieur à la valeur maximale, par exemple égal à 75 % de celui-ci. En pratique, le pas de découpe dans une zone destinée à être~ déformée pourra être variable (non uniforme) il sera notamment moins grand dans les parties où le changement de forme est le plus brutal que dans les parties où la déformation est très progressive. De préférence, les emplacements des découpes des fils dans une strate sont choisis de manière à ne pas se trouver alignés dans le plan de la strate, ceci afin de ne pas créer de ligne d'affaiblissement. De façon similaire, les emplacements des découpes des fils dans les strates sont choisis de manière à ne pas se trouver alignés dans les strates superposées. Pour effectuer la découpe des fils, les techniques connues de découpe par laser ou par jet d'eau paraissent être celles convenant le mieux. Dans le cas de tissus à faible taux de couverture (rapport entre la surface occupée par les fils et la surface totale du tissu), une découpe individuelle des fils est possible. Par contre, dans le cas de tissus à facteur de couverture très élevé (tissus non aérés ou quasiment non aérés), il est pratiquement impossible de ne pas toucher des fils adjacents au fil découpé malgré la précision des techniques de découpe par laser ou jet d'eau. Comme illustré par exemple par la figure 2, la découpe des fils de chaîne 1 est alors effectuée le long de traits 6 parallèles aux fils de trame et d'une longueur telle qu'à chaque fois plusieurs fils de chaîne adjacents (deux dans l'exemple illustré) sont coupés, ceci afin d'assurer qu'il ne subsiste pas de segments de fils 3 de longueur supérieure au pas de découpe p. Comme indiqué plus haut, les traits de découpe 6 sont décalés pour ne pas créer de lignes d'affaiblissement. Bien entendu, ce mode de découpe pourrait aussi être adopté avec des tissus aérés. Après détermination des emplacements de découpe des fils de tissu dans les différentes strates nécessaires à la réalisation d'une préforme pour une pièce composite donnée, la découpe des fils est avantageusement effectuée de façon automatique. Le déplacement de la tête de découpe à laser ou à jet d'eau par rapport à chaque strate est commandé par un système programmé pour réaliser les découpes aux emplacements prédéterminés. Le procédé selon l'invention est bien entendu applicable à des textures formées de fibres en différents matériaux, comme par exemple des textures en fibres de carbone, en fibres céramique (SiC), en fibres métalliques, en fibres minérales (verre), ..... Les exemples donnés ci-après illustrent la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention pour la réalisation de pièces diverses de formes complexes. Exemple 1 La figure 3A illustre une pièce 10 en matériau composite destinée à former un couvercle. La pièce 10 est en forme de disque d'épaisseur sensiblement constante. Plusieurs parties du disque sont décalées par rapport au plan défini par le bord extérieur du disque. C'est ainsi que le disque présente - une nervure annulaire 12 à proximité du bord extérieur du disque, - deux nervures rectilignes parallèles 14, symétriques l'une de l'autre par rapport à un diamètre du disque, et - quatre parties en saillie en forme de plots 16. Pour réaliser la préforme fibreuse destinée à la fabrication de la pièce 10, on utilise des strates de tissu telle que la strate 20 illustrée par la figure 38. La strate 20 est en forme de disque de même diamètre que la pièce 10 et présente des zones 22, 24, 26 (représentées par des zones quadrillées sur la figure 38) dans lesquelles des fils de chaîne et de trame sont découpés conformément à l'invention. Les zones 22, 24, 26 sont destinées, après mise en forme des strates empilées, à former les parties de la préforme correspondant à la nervure 12, aux nervures 14 et aux plots 16 de la pièce 10. Après empilage du nombre de strates nécessaires pour obtenir une préforme d'épaisseur voulue, les strates sont mises en forme par compression entre une matrice 28 et un poinçon 29 de formes complémentaires correspondant à celle de la pièce 10, donnant la préforme recherchée 21 (figure 3C). La pièce 10 est obtenue par densification de la préforme par un matériau formant la matrice du matériau, puis usinage aux dimensions voulues. Exemple 2 Il s'agit de réaliser une préforme fibreuse pour une pièce tubulaire à section circulaire présentant deux nervures circonférentielles. La préforme est réalisée par enroulement d'une bande de tissu 30 (figure 4) dont la largeur est égale à la longueur du profil développé de la préforme dans le sens axial et dont les fils de chaîne sont disposés dans le sens de l'enroulement. L'enroulement est réalisé sur un mandrin 32 dont la surface présente deux nervures circonférentielles 33 de forme et d'emplacements correspondants à ceux des nervures de la pièce à réaliser. Afin de permettre l'adaptation de la bande de tissu 30 à la forme du mandrin, des découpes sont pratiquées dans les fils de chaîne dans des zones 34 (représentées par des zones hachurées) qui viennent se superposer aux nervures du mandrin. Les zones 34 ont la forme de bandes s'étendant sur toute la longueur du tissu. Dans la mesure où les fils de trame, qui s'entendent dans le sens de la largeur de la bande, ont une longueur égale au développé du profil du mandrin, aucune découpe des fils de trame n'est nécessaire, ceux-ci s'adaptant au profil du mandrin. Par contre, en raison de la variation du diamètre du mandrin au niveau des nervures, une découpe des fils de chaîne est nécessaire. L'enroulement du tissu 30 est poursuivi jusqu a ce que l'épaisseur désirée pour la préforme fibreuse soit atteinte. La mise en forme de la texture au niveau des nervures 33 est facilitée au moyen de galets 38 roulant sur la surface de la texture en cours d'enroulement. Exemple 3 Il s'agit de réaliser une préforme fibreuse pour une pièce tubulaire conique à section circulaire présentant deux nervures circonférentielles au voisinage de ses extrémités et une série de bossages répartis à la circonférence de la pièce. La préforme est réalisée par enroulement d'un tissu spirale 40 (figure 5) dont la largeur est égale à la longueur du profil développé de la préforme (non compris les bossages). L'enroulement est réalisé sur un mandrin 42 dont la surface préseote deux nervures circonférentielles 43 et une série de bossages 45 de formes et d'emplacements correspondants ô ceux des nervures et bossages de la pièce à réaliser. La mise en forme de la texture au niveau des nervures 43 et bossages 45 est facilitée au moyen de galets ou roulettes (non représentées) agissant sur la surface extérieure de la texture en cours d'enroulement. Des découpes sont pratiquées dans les fils de chaîne dans des zones 44 (représentées par des zones hachurées) qui viennent se superposer aux nervures circonférentielles-du mandrin. Les zones 44 ont la forme de bandes en spirale s'étendant sur toute la longueur du tissu. D'autres découpes sont pratiquées dans les fils de chaîne et les fils de trame dans des zones 46 (représentées par des zones quadrillées) qui viennent se superposer aux bossages du mandrin. Les emplacements des zones 46 et les intervalles entre celles-ci le long de la bande de tissu spirale 40 sont déterminés en fonction des emplacements des bossages du mandrin et en tenant compte de l'augmentation du diamètre au fur et à mesure de l'enroulement. Exemple 4 Il s'agit de réaliser une préforme fibreuse pour une pièce conique par enroulement d'une bande de tissu 50 (figure 6) à chaîne et trame rigoureusement orthogonales (tissu 0-90), c'està-dire une bande non spirale, la largeur de la bande de tissu étant égale à une fraction de la longueur du profil de la préforme. La bande est enroulée sur un mandrin ayant une forme correspondante à celle de la préforme, c'est-à-dire de la pièce à réaliser. En l'espèce, le mandrin présente une première partie tronconique 52a qui est prolongée par une deuxième partie tronconique 52b de demi-angle au sommet supérieur à celui de la première partie 52a, la pièce àréaliser étant ici un divergent de tuyère. Le bobinage est réalisé, dans chaque couche, depuis l'extrémité de plus petit diamètre vers l'extrémité de plus grand diamètre. Pour permettre l'adaptation de la bande 50 à la forme du mandrin, les fils de chaîne sont prédécoupés conformément à l'invention dans une zone 54 occupant toute la bande à l'exception d'une lisière 56 de manière à éviter un arrachement complet des fils découpés sous l'effet de la traction. La largeur de la lisière 56 est suffisamment petite pour permettre un drapage satisfaisant malgré l'absence de découpe de fils dans cette lisière. Comme représenté sur la figure 6, l'enroulement de la bande est réalisé en spires successives 55 avec recouvrement mutuel des spires jusqu'à former une couche sur toute la longueur du mandrin. Un compactage de la texture est obtenu par la tension de bande et grâce à la lisière 56. Plusieurs couches ainsi formées sont superposées jusqu'3 stteindre l'épaisseur désirée de la préforme. Exemple 5 La découpe des fils est utilisable non seulement pour permettre une mise en forme avec expansion de la texture, comme dans les exemples précédents, mais aussi pour permettre une mise en forme avec resserrement de la texture. Dans ce dernier cas, les fils sont découpés en ménageant des intervalles entre tronçons consécutifs d'un même fil. Le resserrement est alors obtenu par rapprochement mutuel des tronçons de fils par glissement de ceux-ci lors de la mise en forme du tissu. Dans le cas par exemple d'une mise en forme par enroulement d'une bande de tissu 60 sur un mandrin 62 (figure 7), le resserrement du tissu, par exemple dans une zone 62a de diamètre décroissant à une extrémité du mandrin, est obtenu au moyen d'un galet ou d'une molette 68 de forme appropriée agissant sur la surface extérieure de la texture en cours d'enroulement. Les fils de chaîne du tissu 60, qui sont disposés dans le sens de l'enroulement, sont découpés dans la zone 64 correspondant à la partie 52a du mandrin. La découpe est réalisée pour former des tronçons de fils relativement courts et espacés les uns des autres, d'une part, pour que le glissement des tronçons de fils puisse se faire très facilement et, d'autre part, pour ménager des jeux suffisants autorisant le resserrement de la texture sans former de plis. Les exemples qui précèdent montrent que le procédé conforme à l'invention est utilisable pour réaliser des pièces composites de formes très diverses à partir de préformes obtenues par drapage de tissu. A titre d'exemples d'application autre que les divergents de tuyères, on peut notamment citer les cônes d'échappement de réacteurs et les chemises de canal de post-combustion. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une préforme fibreuse par drapage de tissu pour la fabrication de pièces en matériau composite ayant une forme non développable, caractérisé en ce que Le tissu est soumis localement à un traitement préalable de découpe séLective de fils de chaîne et/ou de trame pour permettre, lors de la mise en forme du tissu drapé en couches superposées, un glissement des fils de chaîne et/ou de trame prédécoupés autorisant l'adaptation de chaque couche de tissu à la forme non développable de la pièce à fabriquer. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drapage est réalisé par empilement de strates de tissus ayant subi chacune un traitement préalable de découpe de fils, les strates empilées étant mises en forme dans un outillage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le drapage est réalisé par enroulement d'une bande de tissu ayant subi un traitement préalable de découpe de fils, l'enroulement étant réalisé sur un mandrin dont la forme correspond à celle de La pièce à fabriquer. 4. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la découpe des fils est réalisée par laser. 5. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la découpe des fils est réalisée par jet d'eau. 6. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel Le tissu utilisé est formé de fils ensimés, caractérisé en ce que la mise en forme est réalisée après éLimination ou neutralisation au moins partielle de l'ensimage. 7. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le pas de découpe des fils est choisi inférieur à une valeur maximale à partir de laquelle le gLissement des fils prédécoupés n'est pas assuré. 8. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pas de découpe des fils est variable au sein du tissu.