Brevet FR2635484A1 — publié le 19900223

Procédé et dispositifs de fabrication de pièces planes incurvées en ~atriau composite. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces planes en matériau composite, présentant au moins une partie courbe, ainsi que des dispositifs permettant de Mettre en oeuvre ce procédé de façon discontinue et en continu. L'expression 11matériau composite" désigne ici un matériau formé de plusieurs nappes superposées, chacune de ces nappes étant constituée soit de fibres unidirectionnelles, soit d'un tissu fibreux, les nappes ou les tissus étant imprégnés de résine. Les fibres comme La résine qui les imprègne sont choisies, selon l'application envisagée, parmi celLes qui composent habituellement les matériaux composites. Ainsi, Les fibres peuvent être indifféremment en carbone, en verre, en Kerlar, etc., la résine étant habitueLlement une résine polymérisabLe. L'invention s'applique à tous les secteurs industriels dans Lesquels on utilise des pièces en materiau composite, c'est-à-dire notamment aux industries aéronautique, spatiale et automobile. Pour réaliser des pièces planes en matériau composite, ayant la forme de bandes relativement étroites et comportant une ou pLusieurs parties courbes, plusieurs techniques sont actuellement utilisées. Une première de ces techniques consiste à draper bords à bords et en nappes successives des bandes de fibres unidirectionnelles ou de tissus fibreux preimpregnes de résine, pour former une plaque ébauche rectangu Faire, Une ou plusieurs pièces sont ensuite découpées dans cette plaque ébauche. Cette technique a cependant pour inconvénient de conduire à une grosse perte de matière et, par conquéquent, elle est relativement coûteuse. De plus, il est important de noter qu'elle présente une mauvaise optimisation du drapage par rapport aux contraintes, puisque l'orientation des fibres n'est pas constante par rapport à la fibre neutre de La pièce. La résistance mécanique de cette dernière n'est donc pas uniforme sur toute sa longueur. Une deuxième technique connue consiste à découper dans des bandes de fibres unidirectionnelles ou de tissus fibreux préimprégnés de résine des morceaux dont les contours correspondent à la forme finale de la pièce à réaliser, compte tenu de l'orientation que l'on désire donner aux fibres à l'intérieur de cette pièce. Ces morceaux sont ensuite drapés bords à bords en nappes successives, pour former directement la pièce à réaliser. Bien que le taux de chute soit moindre qu'avec la première technique décrite, il reste élevé, de sorte que cette technique est également coûteuse. De plus, elLe présente également une mauvaise optimisation du drapage par rapport aux contraintes. Enfin, une troisième technique connue, qui constitue une variante de la précédente, consiste à decouper des morceaux dont les bords adjacents Lors du drapage sont orientés approximativement perpendiculairement à la fibre neutre de la pièce. Bien que cette technique soit optimisée par rapport aux chutes et aux contraintes, elle impose une programmation particulière d'un grand nombre de découpes de formes complexes et le drapage nécessite des trajectoires compLiquées du dispositif de dépose des morceaux. Elle est donc elle aussi coûteuse. De plus, l'existence de nombreuses découpes nécessite des éclissages entre Les morceaux adjacents et conduit par conséquent à des discontinuités des fibres à L'intérieur de La pièce, ce qui n'est pas satisfaisant pour La tenue mécanique de cette dernière. L'invention a précisément pour objet un nouveau procédé permettant de fabriquer des pièces en matériau composite se présentant sous la forme de bandes relativement étroites et comportant au moins une partie courbe, pour un coût réduit par rapport aux techniques connues et d'une façon telle que l'orientation des fibres soit pratiquement uniforme par rapport à la fibre neutre d'une extrémité à l'autre de La pièce, et que ces fibres ne présentent pas de discontinuité. Selon L'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication de pièces planes presentant au moins une partie courbe et formées de plusieurs nappes de fibres imprégnées de résine orientées selon des directions non longitudinales par rapport à la pièce, caractérisé par le -fait qu'on réalise chaque partie courbe en soumettant une bande ébauche présentant un axe central rectiligne, à un effort d'allongement exercé selon cet axe et qui croit progressivement d'un bord à L'autre de La bande ébauche. De préférence, avant de réaliser chaque partie courbe, on realise une pLaque ébauche par drapage de nappes de fibres orientées seLon des directions differentes, puis on découpe dans cette plaque plusieurs bandes ébauches. Avantageusement, les directions des fibres constituant Les différentes nappes sont toutes symétriques par rapport à une direction contenue dans le plan de La plaque et perpendiculaire audit axe central rectiligne. En pratique, les parties courbes peuvent être réaLisées soit de façon discontinue, en exerçant un effort d'allongement sur des tronçons successifs de longueur déterminée de la bande ébauche, soit de façon continue, en exerçant ledit effort sur un tronçon de longueur déterminée de la bande ébauche et en déplaçant ce tronçon en continu le long de la bande. L'invention a également pour objet des dispositifs permettant de mettre en oeuvre ce procédé, respectivement de façon discontinue et de façon continue. Le premier de ces dispositifs comprend deux paires d'organes presseurs aptes à être appliques contre une bande ébauche dans une position dans laquelle ces organes sont parallèles les uns aux autres et espacés d'une distance donnée, L'une au moins des paires d'organes presseurs étant apte à pivoter autour d'un axe perpendiculaire au plan de la bande ébauche et adjacent à l'un des bords de la bande. Le second dispositif comprend deux paires de rouleaux presseurs d'axes parallèles espacées d'une distance donnée, l'une des paires de rouleaux étant formée de rouleaux coniques entrasses en rotation, alors que L'autre paire de rouleaux est équipée de moyens de freinage. Différents modes de realisation de L'invention vont à présent être décrits, à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre de façon schématique les différentes étapes d'un procédé de fabrication de pièces planes incurvées en matériau composite, conformément à L'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus, à plus grande échelle, représentant une partie courbe d'une pièce obtenue conformément à L'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective représentant un dispositif pour la réalisation en discontinu d'une partie courbe d'une pièce plane en matériau composite ; et - la figure 4 est une vue en perspective repré sentant un dispositif pour la réalisation en continu d'une partie courbe sur une pièce en matériau composite. Sur La figure 1, on a représenté de façon schematique Les principales étapes de fabrication, conformément à L'invention, d'une pièce 10 en matériau composite, se presentant sous La forme d'une bande plane et relativement étroite, incurvée dans son plan pour former une couronne circulaire. Une telle pièce peut notamment être utilisée pour constituer l'un des éléments de ta structure d'un aéronef. IL est important de noter que le procédé selon L'invention n'est pas Limité à La fabrication de pièces circulaires telles que la pièce 10 et s'applique dans tous Les cas où l'on désire fabriquer une pièce en maté- riau composite se présentant sous La forme d'une bande plane et relativement étroite présentant une ou plusieurs parties incurvées dans son plan. Selon l'invention, pour réaliser La pièce 10, on fabrique dans un premier temps une plaque ébauche 12, généralement de forme rectangulaire, représentée sur la partie haute de la figure 1. La longueur de cette plaque ébauche 12 est approximativement égale à la longueur des pièces à fabriquer, alors que sa largeur est égale à la largeur cumuLée de plusieurs de ces pièces. La plaque ébauche 12 est réaLisée par drapage de plusieurs nappes de fibres préimprégnées de résine, de telle sorte que ces fibres soient disposées selon des directions définies à L'avance en fonction des pièces à réaliser. Ces directions sont orientées soit en oblique par rapport à La longueur de la plaque ébauche rectangu Laire, soit selon la Largeur de cette plaque, mais jamais selon sa longueur. Cette opération de drapage est une opération bien connue des spécialistes, qui peut être realisee soit manuellement, soit à L'aide d'une machine à draper. Il est rappelé que les nappes de fibres peuvent être soit constituées de fibres unidirectionnelles impré gnées de résine, soit d'un tissu fibreux imprégné de résine. Dans les deux cas, L'orientation des fibres est réalisée de la manière indiquée précédemment, de préféren- ce de telle sorte que les fibres des différentes nappes soient toutes symétriques par rapport à une direction orientée selon la largeur de la plaque ébauche rectangulaire. Dans chacune des nappes, les fibres sont habituellement regroupées sous la forme de mèches parallèLes entre elles. -Lorsque cette opération de drapage est terminée, la plaque ébauche 12 est découpée en bandes ébauches rectilignes 14, dans le sens de la longueur de la plaque. La largeur des bandes ébauches 14 est approximativement égale à la largeur des pièces 10 à fabriquer. Lorsque ces pièces sont toutes identiques, on découpe dans la plaque 12 des bandes ébauches 14 également identiques, dont les bords latéraux sont paralleles et rectilignes. Conformément à l'invention, on soumet ensuite chaque bande ébauche, dans la ou les zones correspondant aux parties courbes de la pièce à réaliser, c'est-à-dire sur toute sa longueur dans L'exemple représenté sur la figure 1, à un effort d'allongement exerce selon L'axe central rectiligne de cette bande ébauche et qui croit progressivement d'un bord à L'autre de celle-ci. Plus précisément, cet effort d'allongement croit progressivement du bord intérieur de La partie courbe 18 à réaliser dans Le pLan de la plaque ébauche vers le bord extérieur de cette partie courbe. Deux exemples de dispositifs 16 permettant de réaliser une telle partie courbe 18 sur chacune des bandes ébauches 14 seront décrits plus en détail ultérieurement en se référant aux figures 3 et 4. Etant donné qu'aucune fibre n'est orientée longitudinalement par rapport à la bande ébauche, L'effort d'allongement ainsi exercé n'est pas appliqué sur les fibres elles-mêmes mais conduit seulement à accroître Les écarts entre les mèches vers l'extérieur de la partie courbe formée dans la bande ébauche. Cet écartement s'accompagne d'un glissement qui est rendu possible par la présence de la résine imprégnant les fibres et par l'état caoutchouteux des nappes imprégnées de résine à tempéra- ture ambiante, c'est-à-dire entre 200C et 250C. Dans certains cas, on peut cependant envisager de chauffer la partie de la bande ébauche soumise à l'effort d'allongement, pour faciliter sa déformation. Il est important de noter que, dans ces conditions, et Si l'allongement imposé à la bande ébauche ne dépasse pas des valeurs voisines de 15 X, aucun dechiremuent des fibres ne risque de se produire. De plus, les écarts qui se produisent entre les mèches de fibres constituant les différentes nappes restent dans des limites acceptables, puisque ces écarts ne sont pas supérieurs à ceux qui sont observés entre les découpes adjacentes lors d'un drapage effectué à L'aide d'une machine à draper. Lorsque La partie souhaitée de la bande ébauche a ete incurvée dans son plan à L'aide du dispositif 16, c'est-à-dire toute la longueur de la bande 14 dans le cas de la figure 1, on obtient La pièce 10 présentant la forme désirée. Dans le cas de La figure 1, les extrémités adjacentes de cette pièce sont ensuite éclissées d'une manière connue et qui ne fait pas partie de l'inven- tion. Un avantage essentiel du procédé de fabrication selon L'invention qui vient d'être décrit concerne l'opti- misation du drapage par rapport aux contraintes. En effet, étant donne que La pièce est d'abord drapée sous forme rectiligne, puis incurvée dans son plan pour prendre sa forme définitive, l'orientation des fibres de cette pièce est la même en tout point de sa fibre neutre, c 'est-à-dire en tout point de son axe central. La résistance mécanique de la pièce est donc uniforme sur toute sa longueur, et sans que les fibres présentent des discontinuités dans la pièce, ce qui n'était pratiquement jamais le cas dans les pièces de forme similaire obtenues selon les procédés de la technique antérieure. Par ailleurs, le procédé selon l'invention se caractérise par un taux de chutes très réduit puisque le drapage s'effectue sur une plaque ébauche 12 de grande dimension. Il est à noter que le procédé selon l'invention n'est pas limite à la réalisation de parties courbes présentant un rayon de courbure uniforme. En effet, en exerçant sur la bande ébauche, dans la partie à incurver, un effort d'allongement évoluant dans le sens de la longueur de cette bande, il est possible de faire varier ce rayon de courbure. Sur la figure 2, on a représenté à plus grande échelle une partie incurvée 18 formée dans une bande ébauche 14 à L'aide du procédé précédemment décrit. Cette figure montre, dans cette partie 18, la déformation de deux nappes de fibres F1 et F2 adjacentes, ces fibres étant orientées de façon symétrique par rapport à une direction contenue dans Le plan de la plaque et perpendi.- culaire à L'axe central ou fibre neutre X-X de la bande ébauche 14. On voit en particulier que L'effort d'alLongement exercé sur cette partie 18 se traduit par un Léger écartement des mèches dans lesquelles sont regroupées les fibres à l'intérieur des nappes, par un glissement relatif entre ces mèches et par une absence d'allongement et, par conséquent, de cassure des fibres. Cette figure montre également que l'orientation des fibres est la même quel que soit le point de la fibre neutre X considéré. Dans la pratique, après que l'effort d'allongement ait été exercé par le dispositif 16 sur la figure 1, il se produit un Léger retour élastique qui tend à augmenter très Légèrement le rayon de courbure de la partie 18. Cet effet de rémanence peut être aisément pris en compte en appliquant une déformation Légèrement supérieure à la déformation désirée. De même, la largeur de la bande tend à diminuer très Légèrement dans la partie incurvée 18, ce qui peut égaLement être pris en compte sans difficulté en augmentant légèrement la largeur de la bande ébauche 14 lors de sa découpe. Pour appliquer à chaque bande ébauche 14 l'ef- fort d'allongement nécessaire à la réalisation des parties incurvées 18, on peut utiliser soit un dispositif agissant de façon discontinue, soit un dispositif agissant de façon continue. La figure 3 illustre de façon schématique et à titre d'exemple nullement Limitatif un dispositif 16 permettant de réaliser les parties courbes 18 de façon discontinue sur les bandes ébauches 14. Ce dispositif 16 comprend un bàti 20 dont la face supérieure horizontale 22 définit une table de travail sur laquelle repose la bande ébauche 14. Des moyens (non représentés) permettent de faire avancer cette dernière sur la table de travail 22. Le bàti 20 supporte de façon pivotante, dans un évidement 24 forme sur sa face supérieure 22, deux paires d'organes presseurs 26a et 26b constitués dans l'exemple de réalisation représenté par des rouleaux cylindriques identiques. Chacune des paires d'organes presseurs 26a et 26b est montée sur le bati 20 par un axe de pivotement 28a, 28b oriente perpendiculairement à La face supérieure plane 22 suppor tant la bande ébauche 14.Les axes 28a et 28b sont disposés à proximité de l'un des bords latéraux de la bande ébauche 14, qui correspond au bord intérieur de la partie courbe 18 à réaliser. Les deux organes presseurs de chacune des paires 26a et 26b sont disposés respectivement au-dessus et en dessous du plan défini par la face 22 du bati, de telle sorte qu'ils peuvent venir s'appliquer contre chacune des faces d'une bande ébauche 14 placée sur cette face 22. Les organes presseurs de chacune des paires 26a et 26b disposent d'une petite liberté de mouvement selon une direction approximativement parallèle aux axes de pivotement 28a et 28b. Des vérins 30a et 30b associés à ces paires d'organes presseurs permettant ainsi soit de plaquer ces organes contre la bande ébauche 14, soit au contraire de les écarter légèrement afin de permettre l'introduction de cette bande ébauche. Enfin, le pivotement de chacune des paires d'organes presseurs 26a et 26b autour de son axe 28a et 28b est commandé par un vérin 32a, 32b dont le corps est articulé sur la bati 20 et dont La tige est articulée sur l'extrémité de la paire d'organes presseurs correspondante opposée à son axe 28a, 28b, au travers d'une pièce intermédiaire 33a, 33b portant les vérins 30a, 30b. La course des vérins 32a et 32b pérmet de dép la- cer les paires d'organes presseurs 26a et 26b entre une position d'attente iLlustrée sur La figure 3 et une position d'étirement (non représentée). Dans leur position d'attente, les deux paires d'organes presseurs 26a et 26b sont parallèles entre elles et orientées perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bande d'ébauche 14. Au contraire, dans leur position d'allongement, les deux paires d'organes presseurs ont pivoté d'un même angle en éloignement l'un de L'autre autour de leurs axes 28a et 28b. Lors de la mise en oeuvre du dispositif de la figure 3, un tronçon de La bande ébauche 14 situe dans la partie de cette bande dans laquelle on désire réaliser une partie incurvée est amené entre Les deux paires d'organes presseurs 26a et 26b, qui se trouvent alors dans la position d'attente illustrée sur la figure 3, après rel chement des vérins 30a et 30b. Les vérins 30a et 30b sont ensuite actionnés afin de presser les organes 26a et 26b contre les faces opposées de la bande ébauche 14. Les vérins 32a et 32b sont alors mis en oeuvre, de telle sorte qu'un effort d'allongement qui augmente progressivement en s'éloignant des axes de pivotement 28a et 28b est exercé sur le tronçon de la bande ébauche 14 situé entre les deux paires d'organes presseurs. Lorsque l'allongement désiré est obtenu, les vérins 30a et 30b sont relâchés et La bande ébauche 14 est avancée afin d'amener entre Les deux paires d'organes presseurs un autre tronçon de la bande correspondant soit à la suite de la même partie courbe à réaliser, soit à une autre partie courbe de la pièce. Ainsi, en appliquant successivement Les efforts d'allongement dési- rés sur différents tronçons de La bande ébauche 14, on réalise de manière discontinue une ou plusieurs parties courbes dans le plan de cette bande ébauche. En variante, seule l'une des paires d'organes presseurs peut être montée de façon pivotante sur le bàti 20, L'autre paire d'organes presseurs étant immobilisee par rapport à ce bati. Sur la figure 4, on a représenté très schematiquement un dispositif permettant de réaliser en continu une ou plusieurs parties courbes 18 sur une bande ébauche 14. Ce dispositif comprend deux paires de rouleaux presseurs montées sur un bati (non représenté) supportant la bande ébauche 14, de la même manière que dans le dispositif de la figure 3. Une première paire de rouleaux presseurs 34, de formes cylindriques dans l'exemple représenté, est montée sur le b ti de façon à pouvoir être appliquée sur Les deux faces opposées de la bande ébauche 14, les axes de ces rouleaux étant orientés perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bande ébauche. Ces rouleaux presseurs 34 sont montés rotatif autour de leurs axes, mais ils sont équipés d'un dispositif 36 qui en freine la rotation. La deuxième paire de rouleaux presseurs 38 est formée de deux rouleaux tronconiques également supportés par le bati de façon à être en contact avec les faces opposées de la bande ébauche 14, en un emplacement légèrement décalé par rapport aux rouleaux 34. Les axes des rouleaux 38 sont inclines par rapport aux axes des rouleaux 34, de façon à être plus éloignés de ces derniers du côté de leur plus grand diamètre. Les rouleaux 38 sont entrasses simultanément en rotation en sens inverse et à même vitesse par un moteur 40, dans un sens tendant à faire avancer la bande 14 vers ces rouleaux 38 à partir des rouleaux 34. Etant donné que ces derniers sont freinés par le frein 36, un effort d'allongement est donc appliqué sur le tronçon de la bande ébauche 14 situé sur les deux paires de rouleaux 34 et 38. En raison de La conicité des rouleaux 38, cet effort d'allongement augmente progressivement de la petite base vers la grande base de ces rouleaux. Le tronçon de La bande ébauche 14 qui se trouve entre les deux paires de rouleaux est donc incurvé comme L'illustre La figure 4. Etant donne que Les rouleaux 34 sont freinés mais n'empêchent pas l'avance de La bande 14 sous L'action des rouleaux 38, on réalise ainsi en continu une partie incurvée 18 de Longueur quelconque dans la bande ébauche 14. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de realisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, dans le mode de réalisation de la figure 4, on peut le cas échéant remplacer les rouleaux cylindriques 34 par des rouleaux coniques ou tronconiques identiques aux rouleaux 38. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces planes présentant au moins une partie courbe (18) et formées de plusieurs nappes de fibres (F1, F2) imprégnées de résine orientées selon des directions non longitudinales par rapport à la pièce, caractérisé par le fait qu'on réalise chaque partie courbe en soumettant une bande ébauche (14) présentant un axe central rectiligne, à un effort d'allongement exercé selon cet axe et qui croit progressivement d'un bord à L'autre de la bande ébauche. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'avant de réaliser chaque partie courbe (18), on réalise une plaque ébauche (12) par drapage de nappes de fibres orientées selon des directions dtffé- rentes, puis on découpe dans cette plaque plusieurs bandes ébauches (14). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les directions des fibres (F1, F2) constituant les différentes nappes sont toutes symétriques par rapport à une direction contenue dans Le plan de la plaque et perpendiculaire audit axe central rectiligne. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par Le fait qu'on réalise chaque partie courbe (18) en exerçant Ledit effort d'allongement sur des tronçons successifs de longueur déterminée de La bande ébauche (14). 5. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on réalise chaque partie courbe (18) en exerçant Ledit effort d'allongement sur un tronçon de longueur déterminée de la bande ébauche (14) et en déplaçant ce tronçon en continu Le long de cette bande sur toute La Longueur de La partie courbe. 6. Dispositif pour la fabrication de pièces planes présentant au moins une partie courbe (18) et formées de plusieurs nappes de fibres (F1, F2) imprégnées de résine orientées selon des directions non longitudinales par rapport à La pièce, caractérisé par le fait qu'il comprend deux paires d'organes presseurs (26a, 26b) aptes à être appliques contre une bande ébauche (je4) dans une position dans laquelle ces organes sont parallèles les uns aux autres et espacés d'une distance donnée, l'une au moins des paires d'organes presseurs étant apte à pivoter autour d'un axe (28a, 28b) perpendiculaire au plan de La bande ébauche et adjacent à l'un des bords de La bande. 7. Dispositif pour La fabrication des pièces planes présentant au moins une partie courbe (18) et formées de plusieurs nappes de fibres (Fl, F2) imprégnées de résine orientées selon des directions non longitudinales par rapport à la pièce, caractérisé par Le fait qu'il comprend deux paires de rouleaux presseurs (36, 38) espa cées d'une distance donnée, L'une des paires de rouleaux (38) étant formée de rouleaux coniques entrafnés en rotation, alors que l'autre paire de rouleaux (36) est équipée de moyens de freinage (36).