Brevet FR2626629A1 — publié le 19890804

La présente invention concerne la protection contre la foudre des assemblages boulonnés ou rivés de pièces en matériaux composites, notamment pour les structures et constructions aéronautiques. D'une façon plus particulière l'invention est relative. a un dispositif de fixation d'éléments en matériaux composites, intégré dans une structure protégée contre la foudre, ainsi qu'à un procédé pour réaliser un tel dispositif de fixation intégré. La protection courante des surfaces des structures composites primaires des aéronefs contre les effets de la foudre est un problème résolu depuis longtemps par 'ap- plieation d'une meme couche de revêtement métallique externe sur les éléments composites en résines organiques non conductrices qui sont exposés à la foudre pour assurer l'écou- lement des courants de celle-ci US-A-3.755.713 décrit un panneau composite non conducteur en matière plastique renforcée de fibres, dans la surface externe duquel est incorporé un tissu à mai îles en fil métallique qui est relié à une connexion pour réaliser un trajet d'écoulement du flux de courant électrique consécutif à la foudre. US-A-4.349.859 décrit également un élément compo- site destiné à entre utilisé comme panneau de structure pour un aéronef, protégé contre la foudre, en résine et fibres de graphite comportant un revetement d'étain appliqué en couche mince par des techniques de pulvérisation dans un flux de plasma. US-A-4.479.163 a pour objet un procédé de protec- tion d'une structure composite non conductrice contre la foudre, cette structure comportant des organes de fixation conducteurs. Dans cette structure qui comprend une couche dkun tissu de revêtement en fibres de graphite revêtues de nickel et en résine époxy, et une peinture de revetement,- ces éléments ou panneaux composites apportent une protection efficace contre la foudre mais présentent cepen dant des inconvénients. En effet, dans une structure utilisée en construction aéronautique, formée de panneaux composites boulonnés ou ives, les têtes des rivets ou des boulons doivent entre encastrées, pour éviter toutes saillies, dans des contre-alésages ou des fraisages flans tous les cas de panneaux ou éléments décrits dans les brevets précités, un contre-alésage ou un fraisage constitue une solution de discontinuité dans le revetement protecteur, et la texte du rivet ou du boulon, logée dans le contre-albsage ou la fraisage, n'est pas en contact avec la couche conductrice du revtement. De ce fait, Si la foudre frappe la tette d'un tel rivet ou boulon encastrée dans un tel élément non conduc- teur, les courants électriques de forte densité qùi traversent. la matière composite contenant des fibres de carbone et qui ne peuvent se dissiperengendrent un champ électrique intense entourant la tige du rivet ou du boulon, et produisent un effet de délaminage entre couches autour du trou logeant ledit boulon ou rivet, mettant en péril la résistance mécanique et par suite la tenue de la fixation De plus si le boulon ou le rivet fixe ensemble un panneau ou élément composite en résine et fibres de graphite comportant un tel revetement, mauvais conducteur, et un panneau ou élément conducteur, les courants électriques ne sont pas transmis audit panneau ou élément conducteur. EnSin, dans le cas où le boulon, ou rivet, fait saillie intérieurement dans une région où stagnent des vapeurs inflammables explosives,- par exemple dans un riser- voir de combustible, le courant de foudre circulant par le boulon ou le rivet peut avoir pour résultat la formation d'un arc à l'intrieur de ladite région, ce qui constitue un risque d'in- cendie et/ou d'explosion La figure 2 de US-A-3.755.7l3 suggère une solution suivant laquelle le tissu métallique à mailles noyé dans la surface de l'élément épouse les contours de cette surface et en particulier les parois des alésages ou des fraisages. Ceci suppose que ceux-ci sont prévus avant la fabrication de l'élément et formés lors de celle-ci, ce qui est extrémement difficile, sinon irréalisable, ou tout au moins trop coûteux. De plus, Si l1on sait empêcher la naissance d'un arc, à l'intérieur d'une structure, entre les extrémités internes en saillie de boulons ou de rivets fixant ensemble deux éléments ou panneaux dans une structure d'aéronef en recouvant ces extrémités d'un enrobage isolant, une telle protection ne peut être appliquée que si on.peut accéder à l'intérieur de la structure. Ceci signifie que dans le cas d'une réparation devant entre effectuée sur une structure à l'intérieur de laquelle on ne peut accéder, par exemple sur un réservoir, la réparation nécessite un démontage complet et un remplacement par une structure neuve. Le but de l'invention est de remédier à ces incon- vénients en fournissant un dispositif de fixation intégré à un système de protection contre la foudre, protégé contre les effets d'arc, utilisable tant à la fabrioatitn de structures d'aéronefs que pour la réparation de telles structures, ainsi qu'un procédé et un outillage pour la réalisation de ce dispositif. L'invention a pour objet à cet effet un dispositif de fixation d'éléments de structures exposées à la foudre, notamment d'élémentscomposites en fibres et résine comportant dans sa surface externe une couche ou revêtement métallique constituant un trajet pour la diffusion des courants électriques dus à la foudre, au moyen de boutons ou de rivets ayant une te te encastrée dans un contre-alésage ou un fraisage dans ladite surface, et une extrémité opposée en saillie sur la face opposée desdits éléments de la structure, caractérisé en ce qu'il comprend un organe métallique de liaison en contact à la fois avec la tette du boulon ou du rivet et avec ladite couche métallique, et une coupelle en une matière isolante souple et élastique, ajustée sur ladite extrémité opposé et délimitant avec celle-ci un espaee creux rempli d'une matière isolante durcissable. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ledit organe métallique est formé par pulvérisation de métal par exemple dans un flux de plasma, dans ledit contre-alésage ou frai sage et autour de celui-ci dans un rayon débordant sur ladite couche métallique environnante. Suivant une variante, ledi-t organe métallique est constitué par un morceau de clinquant ou de grillage de forme annulaire creuse à travers lequel est dispose le rivet ou le boulon et ayant un rayon tel qu'il déborde sur ladite couche métallique environnante. Suivant un mode de réalisation préféré de l'inven tison, ladite coupelle a dans son ensemble une forme conique et comporte un trou à son sommet De préférence, ladite coupelle comporte intérieure ment des cannelures de centrage. L'invention a également pour objet un procédé pour poser un dispositif tel que défini ci-dessus sur les élé- ments d'une structure accessible d'un seul côté, caractéri- se en ce que a) on introduit un fil axialement à travers un trou au sommet d'une coupelle conique en une matière déformable élastiquement, b) on introduit ladite coupelle en la déformant à travers un trou desdits éléments destiné à recevoir un rivet, e) on maintiens ladite coupelle appliquée sur la face interne de ladite structure, au droit dudit trou, au moyen dudit f11, d) on remplit la coupelle d'une matière isolante durcissable à travers ledit trou, e) on creuse un logement dans ladite matière durcie, ) on applique ou on forme un organe métallique de liaison sur l'orifice dudit trou et autour de celui-ci, et g) on pose un rivet borgne dans le trou pour fixer ensemble lesdits éléments L'invention a enfin pour objet un outil pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, adapte pour maintenir ladite coupelle en place au cours de la phase c, caracté- risé en ce qu'il comprend.un support présentant une ouver- ture, un bras s'étendant au-dessus de ladite ouverture et articulé sur ledit support, et sollicité élastiquement en s'écartant de celui-ci. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 est une vue partielle en élévation et en coupe montrant deux éléments d'une structure primaire d'aéronef, assemblés au moyen d'un rivet. La figure 2 est une vue en coupe d'une coupelle utilisée dans le dispositif suivant l'invention La figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1, montrant un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention et le remplissage de la coupelle, La figure 4 montre la mise en place de la coupelle à travers un trou destiné à recevoir un rivet, suivant le. procédé de l'invention. La figure 5 est une vue en coupe montrant l'outil utilisé pour maintenir la coupelle en place. La figure 6 montre le logement formé dans la matitre durcie remplissant la coupelle, On a représente partiellement à la figure 1 deux éléments d'une structure primaire d'aRronef, comprenant un élément composite 1 stratifié en fibres de carbone, mauvais conducteur de l'électricité, fixé au moyen d'un boulon 2 sur un second élément 3, composite ou métallique, conducteur de l'électricité. Comme connu en soi, l'élément 1 comporte un mince grillage métallique 4 incorpore dans sa surface lors de 9 fabrication-et assurant la diffusion des courants dus à la foudre. Dans une structure accessible des deux cotés lorsqu'on fixe l'élément 1 sur l'élément 3 au moyen du bou- lon 2, disposé dans un trou 5, on pratique dans la surface de l'élément i un fraisage 6 pour encastrer la tête du boulon qui ne doit pas faire saillie sur la surface externe de l'aéronef. Le contre-alésage 6 découpe dans le grillage 4 une ouverture plus grande que la tête du boulon 2 qui de ce fait, n'est pas en contact avec le grillage, de sorte que le trajet conducteur est interrompu entre l'élément 3 et le grillage 4. Enfin, également comme connu en soi l'extrémité 7 du boulon opposée à la tête est habituellement revenue d'une matière isolante afin d'empecher la formation d'un arc, dû au courent de foudre circulant dans le boulon 2, cette protection étant particulièrement utile dans les zones où regnent des vapeurs de combustible. Le dispositif de fixation suivant l'invention, représenté à la figure 3, remédie à ces inconvénients. Il comprend tout d'abord un organe métallique de liaison 8 de forme annulaire creuse, présentant une partie tronconique 9 loge dans le contre-alésage 6, solidaire d'une collerette circulaire radiale 10 qui déborde du contre-alésage et s'étend sur le grillage 4, assurant le contact entre celui-ci et la tête du boulon 2, lui-mEme en contact avec l'élément conducteur 3. D'une façon avantageuse, organe de liaison 8 est découpé et forme dans une feuille de clinquant, et son épaisseur est négligeable sur la surface de la structure. Suivant une variante, l'organe de liaison 8 peut Entre formé directement in situ par projection de métal dans un flux de plasmas ou autre procédé connu analogue Le dispositif suivant 1 t invention est complété par une coupelle il (figure 2) de forme à peu près conique, creuse ayant un Sommet arrondi percé d'un trou 12. La coupelle 11 comporte intérieurement des cannelures 13 qui sont adaptées pour prendre appui sur l'extré- mité 7 du boulon (ou sur son écrou 7a) et la centrer sur celui-ci. La coupelle 11 mise en place par-dessus l'extré- mité du boulon 2 est remplie d'une matière isolante l4 à travers le trou 12 au moyen d'un in ecteur, ou seringue, 15, cette matière se durcissant dans le temps et maintenant la coupelle en place; des échancrures 16 permettent de ontrôtler le remplissage, Lorsque la fixation doit être faite par l'extérieur sur une structure accessible seulement d'un cotte comme cela est le cas pour certaines réparations de structures en cais- son, on ne peut utiliser le dispositif décrit ci-dessus > et il était nécessaire jusqu'à présent d'effeçtuer des demontages que l'invention permet d'éviter. Suivant l'invention, on déforme la coupelle 11 pour la resserrer sur elle-mEme et on la force à travers le trou 5 (comme représente en trait mixte à la figure 43 après avoir au préalable fait passer un fil 17 à travers le trou 12 et en arrêtant ce fil au moyen par exemple d'un noeud 18 à l'extérieur du sommet de la coupelle (figures 4 et 5); on peut forcer la coupelle par exemple au moyen d'une tige, tout en la retenant avec le fil 17 On On place ensuite sur la face extérieure de llelément 1 un outil représente à la figure 5 et désigne dans son ensemble par la référence t que l'on décrira ci-dessous. L'outil 19 comprend un support 20 de forme en U disposé horizontalement, ayant deux branches parallèles 21 (dont une seule est visible à la figure 5) réunies par une partie intermédiaire 22, et portées par des pieds 23 reposant sur l'élément externe 1 de façon que les branches 21 s'éten- dent de part et d'autre du trou 5 dans lequel est dispos- le boulon 2. Sur la partie intermédiaire 22 est articulée une extrémité d'un bras 24, sur un axe 25, de façon que ce bras s'étende entre les branches 21 au-dessus du trou 5. Le bras 24 est sollicité élastiquement, par exemple au moyen d'un fable ressort 26, en s'écartant de l'élément 1, et l'extrémité du bras opposée à l'axe 25 comporte des moyens 27 d'accrochage du fil 17. Le ressort 26 maintient le fil 17 tendu lorsque la coopefle 11 a franchi entièrement le trou 5, et a repris élastiquement sa forme, avec sa base appliquée contre l'élé- ment interne 3 (figure 5). On injecte alors la matière 14 par l'exté- rieur, entre les branches 21 de l'outil 19, par exemple au moyen d'une tige creuse (non représentée). La matière isolante 14 en se solidifiant fixe la coupelle à l'élément 3. On creuse alors dans la matière 14 un logement 28 au moyen d'un foret ou d'un outil de carot- tage 29, pour recevoir l'extrémité en saillie d'un rivet borgne (non représenté). On comprend ben entendu que le dispositif de fixation suivant l'invention représenté à la figure 3 qui a été décrit comme utilisant un boulon dont la texte est encastrée dans un fraisage, et un écrou, peut également etre réalisé avec un rivet dont la téte est encastrée dans un contre-alésage. De mime, la coupelle Il representée aux figures 4 à 6 sans cannelures internes entre dans le cadre de l'inven- tion et pourrait entre la même que celle représentée aux figures 2 et 3, ces cannelures n'empêchant pas de la resserrer pour franchir le trou 5. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fixation d'éléments de structures (1, 3) exposées à la foudre, notamment d'éléments composites en fibres et résine comportant dans sa surface externe une couche ou reveAtement métallique (4) constituant un trajet pour la diffusion des courants électriques dus à la foudre, au moyen de boulons ou de rivets (2) ayant une texte encas trée dans un contre-alésage ou un fraisage (6)dans ladite surface, et une extrémité opposée (7) en saillie sur la face opposée desdits éléments de la structure, caractérisé en ce qu'il comprend un organe métallique de liaison (a) en contact à la fois avec la texte du boulon ou du rivet (2) et avec ladite couche métallique (4), et une coupelle (il) en une matière isolante souple et- élastique, ajustée sur ladite extrémité opposée (7) et délimitant avec celle-ci un espace creux rempli d'une matière isolante durcissable (14). 2. Dispositif de fixation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe métallique de liaison (a) est formé par pulvérisation de métal dans ledit contre-alésage ou fraisage t6) et autour de celut-ei dans un rayon débordant sur ladite couche métallique environnante (4), 3. Dispositif de fixation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe métallique (8) est constitué par un morceau de clinquant ou de de fame annulaire creuse à travers lequel est disposé le rivet ou le boulon (2) et ayant un rayon tel qu'il déborde sur ladite couche métallique environnante (4). 4. Dispositif de fixation suivent la revendication 1, carecté- risé en ce que ladite coupelle (11) a dans son ensemble une forme conique et comporte un trou (12) à son sommet, 5. Dispositif de fixation suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite coupelle (îi) comporte intérieurement des cannelures de centrage (13). 6. Procédé pour poser un dispositif de fixation tel que défini suivant l'une quelconque des revendications précédentes pour fixer ensemble des éléments d'une structure accessible d'un seul cote et exposée à la foudre, notamment d'éléments composites en fibres et résine comportant dans sa surface externe une couche ou revetemènt métal il que (4) constituant un trajet pour la diffusion des courants électriques dus a la foudre, au moyen de boulons ou de rivets (2) ayant une tête encastrée dans un contre-alésage ou un fraisage (6) dans ladite surface, et une extrémité opposée (7) en saillie sur la face opposée desdits éléments de la structure, caractérisé en ce que a) on introduit un fil (17) axialement à travers un trou (tZ) au sommet d'une coupelle (11) coque en une matière déformable Elastique- ment, b) on introduit ladite coupelle (11) en la déformant à travers un trou (5) desdits Eléments (1, 3) destiné à recevoir un rivet (2), c) on maintient ladite coupelle (11) appliquée sur la face interne de ladite structure, au droit dudit trou (5), au moyen dudit fil, d) on remplit la coupelle d'une matière isolante durcissable (14) à travers ledit trou, e) on creuse un logement (28) dans ladite matière durcie, f on applique ou on forme un organe metal- lique de liaison (8) sur l'orifice dudit trou et autour de celui-ci, et g) on pose un rivet borgne dans le trou pour fixer ensemble lesdits éléments (1, 3). 7. Outil pour la mise en oeuvre du procédé défini suivant la revendication 6, adapté pour maintenir ladite coupelle ( en place au cours de la phase c), caracterisé en ce qu'il comprend un support (20) présentant une ouverture, un bras (24) s'étendant au-dessus de ladite ouverture et articulé sur ledit support et sollicité Elas- tiquement en s'écartant de celui-ci au moyen d'un ressort 128) et comportant des moyens (27) de fixation du fil (17).