Brevet FR2655976A1 — publié le 19910621

La présente invention concerne la réaLisation de structures composites, c'est-à-dire de structures constituées d'une texture fibreuse de renfort densifiée par une matrice. Pour La réaLisation de structure composite, en particu Lier d'une structure de grande dimension ou de forme complexe, iL est connu d'utiLiser un procédé comportant Les étapes qui consistent à réaLiser séparément des éléments constitutifs de la texture fibreuse de renfort de la structure, assembLer Les éLéments de texture, et densifier La texture assembLée, par Le matériau constitutif de la matrice Un teL procédé est, par exempLe, utiLisé pour la réalisation de structures composites constituées d'un voiLe et de muLtipLes raidisseurs. Les éLéments de texture sont par exemple réalisés par empilement de strates. CeLLes-ci peuvent être bidirectionneLLes (tissus), unidirectionnelLes (nappes de fiLs paraLLèLes entre eux), ou muLticouches (teL qu'un assembLage de couches de tissu et de feutre pré-aiguiLLeté). Les strates empilées peuvent être Liées entre eLLes par aiguiLLetage ou impLantation de fiLs dans une ou pLusieurs directions transversaLes par rapport aux strates. Les éLéments de texture peuvent être assembLés à L'état sec ou pré-imprégné. Dans ce dernier cas, L'imprégnation est réaLisée, par exempLe, au moyen d'une résine permettant de mettre en forme et de maintenir en forme Les éLéments de texture. La résine peut être une résine fugitive, c'est-à-dire qui dispara1t sans Laisser de résidu sous L'effet de La montée en température réalisée Lors de La densification par la matrice. IL est également possible d'utiliser une résine Laissant un résidu compatible avec Le matériau constitutif de la matrice. La densification est réaLisée généralement par infiLtration chimique en phase vapeur, Les éLéments de texture secs ou préimprégnés étant maintenus assemblés au moyen d'un outiLLage ou con formateur de préférence en graphite jusqu a consoLidation de ta texture. PLusieurs cycLes d'infiltration sont généraLement nécessaires, y compris après retrait de L'outiLLage, Lorsque La texture est consoLidée pour atteindre Le taux de densification souhaité, c'est-à-dire Limiter La porosité résidueLle à la valeur voulue. IL a été constaté que La structure composite obtenue après retrait de L'outiLLage n'offre pas une garantie totaLe de non-fissuration à L'interface entre Les éLéments de texture, que ce soit au cours de La densification finaLe ou, uLtérieurement, Lors de l'utiLisation de La texture. Aussi, seLon un premier aspect, L'invention a-t-eLle pour but de proposer un procédé permettant La réalisation de structure composite par co-densification d'éLéments de texture fibreuse assembLés, L'assembLage des éLéments de texture étant réalisé de manière à renforcer Les Liaisons entre ceux-ci et à éviter une fissuration uLtérieure. Ce but est atteint, conformément à L'invention, du fait que L'assembLage des éléments de texture est réaLisé au moins en partie par agrafage au moyen d'agrafes en matériau composite. SeLon un autre aspect, L'invention propose une bande d'agrafes à section transversaLe en U caractérisée en ce qu'eLLe est constituée par une texture fibreuse de renfort densifiée par une matrice et comporte des parties d'affaiblissement ou prédécoupes qui définissent des zones de rupture facilitant la séparation de La bande d'agrafes en agrafes individueLLes. Avantageusement, Les ai Les de La bande d'agrafes sont conformées de manière à conférer aux tiges des agrafes individueLLes destinées à pénétrer dans des éLéments à assembLer un reLief propre à favoriser Leur ancrage dans Les textures. Selon encore un autre aspect, L'invention propose un procédé de fabrication d'une bande d'agrafes en matériau composite, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à réaliser une texture de renfort fibreuse en forme de bande plane, mettre en forme la texture de renfort pour réaliser une préforme de bande d'agrafes à section transversale en U, densifier ta texture fibreuse par un matériau formant une matrice, et former par usinage des parties d'affaiblissement ou prédécoupes destinées à constituer des zones de rupture facilitant la séparation de la bande d'agrafes en agrafes individuelles. L'invention sera mieux comprise à la Lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement une bande d'agrafes conforme à L'invention, - la figure 2 est une vue de détail à échelle agrandie d'un tronçon de la bande d'agrafes de la figure 1, - la figure 3 montre schématiquement, en coupe, deux éléments assemblés au moyen d'une agrafe provenant de la bande d'agrafes de la figure 1, - les figures 4A à 4E illustrent les étapes successives de fabrication d'une bande d'agrafes en matériau composite telle que celle de la figure 1, - les figures 5 à 8 illustrent différentes possibilités d'usinage des extrémités des tiges des agrafes visant à favoriser la déformation des tiges lors de leur pénétration dans des textures à assembler, - les figures 9 et 10 illustrent différentes possibilités non limitatives et à titre d'exemple de formation de découpes dans les ailes de la bande d'agrafes pour faciliter la séparation en agrafes individuelles et donner aux tiges de celles-ci un relief favorisant leur ancrage dans des textures à assembLer, - les figures 11 et 12 illustrent des exemples d'assemblage d'éléments de texture de renfort fibreuse au moyen d'agrafes, conformément à l'invention. La figure 1 illustre un exemple d'une bande d'agrafes 10 en matériau composite conforme à l'invention. De façon classique, cette bande d'agrafes a une section transversale en U, les ailes 12 du U correspondant aux tiges 22 des agrafes 20. Les dimensions de la bande 10 peuvent être analogues à celles des bandes d'agrafes métalliques standards. De même, la bande 10 contient un nombre d'agrafes qui est semblable à celui contenu dans des bandes d'agrafes métalliques usuelles. Ainsi, la bande d'agrafes 10 peut être utilisée avec des agrafeuses-cloueuses classiques mécaniques ou électriques. Comme décrit plus loin de façon détaillée, la bande 10 est constituée par une structure composite en une seule pièce dans laquelle sont réalisés des affaiblissements et/ou des prédécoupes qui définissent des zones de rupture facilitant la séparation en agrafes individuelles. Ainsi comme le montre la figure 2, des encoches 14 sont formées à intervalle régulier dans les bords longitudinaux des ailes 12 afin de séparer les unes des autres les extrémités 24 des tiges 22, la forme des encoches 14 étant déterminée pour conférer aux extrémités 24 la forme voulue. De plus, toujours au niveau des zones de rupture entre agrafes 20, sont formés de perçages 15 qui traversent les ailes 12 et des rainures extérieures 16. Celles-ci peuvent être situées dans les parties coudées raccordant les ailes 12 au reste de la bande 10, ou dans les ailes 12 ou dans la partie centrale de la bande 10. Les rainures 16 sont formées sur seulement une partie de L'épaisseur de la bande 10. Il est toutefois possible de réaliser des rainures plus profondes, qui traversent la bande 10 dans toute son épaisseur sur au moins une partie de leur longueur. Enfin, des ondulations 18 sont formées par des rainures longitudinales du c8té extérieur des ailes 12. La figure 3 montre une agrafe 20 après sa mise en place dans des éléments à assembler 30,32. Ceux-ci sont par exemple sous forme de bandes ou plaques superposées. Bien entendu, les éléments 30,32 sont en un matériau d'une dureté sensiblement inférieure à celle du matériau composite consitutif de la bande d'agrafes 10. Selon une application préférentieLLe de L'invention, les éléments 30,32 sont des éléments de texture fibreuse sèche ou pré-imprégnée destinés à constituer un renfort d'une pièce en matériau composite. La séparation d'une agrafe 20 du reste de la bande 10 et sa mise en place dans les éléments à assembler 30,32 sont classiquement effectuées en exerçant un effort P sur la base de L'agrafe (voir figure 3). Les extrémités 24 des tiges 22 sont par exemple effilées et biseautées, leur longueur étant plus grande du côté intérieur des ailes 12 que du côté extérieur (voir figure 2). De la sorte, lors de la mise en place de l'agrafe, les tiges 22 fléchissent l'une vers l'autre sous L'effet de la réaction des éléments 30,32 à la force P. Ce fléchissement favorise l'ancrage des tiges 22 dans les éléments 30,32, et ce d'autant plus qu'il est combiné avec la présence des reliefs 28 formés par les ondulations 18. En effet, le fléchissement des tiges 22 étant réalisé dans la limite de déformation élastique, les tiges exercent un effort tendant à faire pénétrer les reliefs 28 dans les matériaux constitutifs des éléments 30,32, provoquant un blocage à l'arrachement de l'agrafe. Des encoches 25 situées latéralement sur les tiges 22, et provenant de la formation des perçages 15, contribuent également à l'ancrage des tiges 22, donnant à celles-ci une forme de harpon. Dans l'exemple illustré par la figure 2, le nombre de perçages 15 dans chaque aile 12, pour chaque zone de rupture, est égal à un. Bien entendu, ce nombre peut être supérieur à un, auquel cas il peut être envisagé de se passer des rainures 16. Dans certains cas, si le blocage par les reliefs 28 est suffisant, et si les encoches 14 et rainures 16 sont suffisantes pour permettre facilement la séparation des agrafes, il n'est pas nécessaire de prévoir de perçages 15. Inversement, si le blocage par les encoches 25 est suffisant, il n'est pas nécessaire de prévoir les reliefs 28. De la sorte, des bandes d'agrafes pourront être réalisées qui ne comportent pas de perçages 15, ou pas d'ondulations 18. Un mode de réalisation d'une bande d'agrafes telle que celle illustrée par les figures 1 et 2 sera maintenant décrit en référence aux figures 4A à 4E. La bande d'agrafes est en un matériau composite constitué d'une texture de renfort fibreuse densifiée par une matrice. La texture de renfort 40 est par exemple formée par bobinage filamentaire autour d'un mandrin 42 à section rectangulaire (figure 4A). Celui-ci a un côté dont la longueur correspond à la largeur de la partie centrale d'une bande d'agrafes et un côté adjacent dont la longueur correspond au double de la largeur d'une aile d'une bande d'agrafes, de sorte que sont formées simultanément les préformes de deux bandes d'agrafes opposées L'une à l'autre. Le bobinage autour du mandrin est réalisé de sorte que la direction des fils corresponde à celle des agrafes, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction longitudinale de la bande d'agrafes. La texture de renfort 40 est placée dans une enceinte en vue de réaliser la densification de la texture par le matériau constitutif de la matrice. Cette densification est réalisée par exemple par infiltration chimique en phase vapeur, laquelle est poursuivie jusqu'à obtenir le degré de densification souhaité. Après infiltration, La texture densifiée 44 est séparée du mandrin 42 (figure 4B) puis en la coupant en deux parties égales constituant chacune une bande 46 avec un état de surface brut d'infiltration (figure 4C). En vue de faciliter la séparation entre la texture densifiée et le mandrin, le bobinage sur celui-ci pourra avantageusement avoir été effectué avec interposition d'une strate, telle qu'une couche de tissu, en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique différent de ceux du mandrin et de la texture de renfort. L'utilisation d'une telle strate d'interposition est décrite o dans la demande de brevet français n 89 15929 au nom de la déposante. La bande 46 est ensuite usinée jusqu'à la forme finale désirée. L'usinage consiste à réaliser des passes de finition pour donner aux ondulations 18 la forme désirée, par exemple celle illustrée par la figure 4D ou, en variante, celle illustrée par la figure 4E. L'usinage consiste également à réaliser les encoches 14, les perçages 15 et les rainures 16 pour aboutir à une bande telle qu'illustrée par la figure 2. A cet effet, on pourra avantageusement utiliser la technique de découpe par jet d'eau à très haute pression, ou la technique de découpe par laser. Le matériau composite constitutif de la bande d'agrafes est choisi en fonction de l'utilisation envisagée. Dans le cadre de l'application à l'assemblage d'éléments de texture destinés à la fabrication de pièces composites thermostructurales, généralement en carbone-carbone,texture de renfort en fibres de carbone et matrice essentiellement en carbone, ou en carbone-céramique, ou en céramique-céramique, la bande d'agrafes est de préférence également en carbone-carbone, carbone-céramique ou en céramique-céramique, respectivement, ce afin d'éviter des problèmes causés par des dilatations différentielles. Les fibres constitutives de la texture 40sont alors des fibres de carbone, ou des fibres de céramique,par exemple de carbure de silicium. La densification de la texture 40 est alors essentiellement réalisée par du pyrocarbone ou une céramique telle que du carbure de silicium.Les techniques d'infiltration en phase vapeur de carbone ou d'autres matériaux réfractaires sont bien connues. A titre d'exemple, on pourra se référer aux documents FR 2 189 207, FR 2 401 888 et EP 0 172 082. Comme déjà indiqué, l'usinage des encoches 14 est réalisé de manière à donner aux extrémités 24 des tiges 22 la forme voulue, en particulier pour que leur pénétration dans les éléments à assembler s'accompagne d'une flexion des tiges 22. Les figures 5 à 8 illustrent des variantes de réalisation des extrémités 24 autres que celle montrée par la figure 2 Sur ces figures, les encoches 25 et/ou reliefs 28 ne sont pas montrés, par souci de simplification. Dans le cas de la figure 5, l'extrémité 24 est non effilée, mais est biseautée avec une longueur de la tige 22 plus grande du côté intérieur, ce qui provoque, lors de la mise en place de l'agrafe, une flexion de la tige vers l'intérieur, en direction de l'autre tige. Lorsque le biseau est réalisé du côté intérieur, avec une longueur de type plus grande du côté extérieur (figure 6), la flexion de la tige se produit en direction opposée, vers l'extérieur. Dans le cas des figures 7 et 8, l'extrémité 24 de la tige, non effilée ou effilée, est biseautée latéralement, de sorte que la déformation de la tige se produit par torsion en direction perpendiculaire à la base de l'agrafe. Les biseaux sur les extrémités des deux tiges d'une agrafe sont alors formés sur l'un et L'autre côté de l'agrafe, respectivement, de sorte que les torsions des tiges se produisent en directions opposées l'une à L'autre. Les figures 9 et 10 illustrent des variantes non limitatives et à titre d'exemple de réalisation de perçages dans les ailes de la bande d'agrafes, autres que celle montrée par la figure 2. Dans le cas de la figure 9, plusieurs perçages 15, 15' sont formés dans chaque aile au niveau de chaque zone de rupture, l'un au moins des perçages (15') ayant une direction non perpendiculaire à l'aile de l'agrafe. Dans le cas de la figure 10, un seul perçage 15 est formé dans chaque aile, au niveau de chaque zone de rupture, ce perçage ayant une forme oblongue, allongée dans la direction de la zone de rupture. La bande d'agrafes conforme à l'invention est plus particulièrement destinée à l'assemblage d'éléments de texture fibreuse secs ou pré-imprégnés qui ont été fabriqués séparément, ceci afin de constituer une texture de renfort pour l'obtention d'une pièce en matériau composite, notamment une pièce de grande dimension et/ou de forme complexe, par densification de la texture de renfort. La figure 11 montre L'agrafage d'éléments de texture fibreuse 52 pré-imprégnés en forme de profilés à section en L sur un élément de texture plan 50 de relativement faible épaisseur, en vue de réaliser une pièce constituée par un voile muni de raidisseurs. Dans ce cas, l'utilisation d'agrafes composites ne permet pas de se dispenser totalement d'un outillage de maintien lors de la densification de la texture assemblée, mais vise à empêcher les fissurations aux interfaces entre éléments de texture assemblés. La figure 12 montre un mandrin en graphite 60 sur lequel est enroulée, tendue, une bande de tissu 62 dont l'extrémité libre est agrafée sur la texture enroulée. Cette disposition permet d'obtenir un tube en matériau composite après densification et après retrait du mandrin. Les agrafes composites procurent un renforcement des liaisons entre Les éléments de texture qui évite l'apparition de fissures aux interfaces entre ces éléments lors de leur codensification par le matériau constitutif de la matrice du matériau composite de la pièce à réaliser, ou lors de l'utilisation de celle-ci. Les agrafes composites pourront être utilisées comme seuls moyens de liaison entre les éléments de texture, ou en complément d'autres moyens de liaison (par exemple implantation de fils). REVENDICATIONS 1. Bande d'agrafes à section transversale en U, caractérisée en ce quelle est constituée par une texture fibreuse de renfort densifiée par une matrice et comporte des parties d'affaiblissement ou prédécoupes qui définissent des zones de rupture facilitant la séparation de la bande d'agrafes en agrafes individuelles. 2. Bande d'agrafes selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ailes de la bande d'agrafes sont conformées de manière à conférer aux tiges des agrafes individuelles destinées à pénétrer dans des éléments à assembler un relief propre à favoriser leur ancrage dans les textures. 3. Bande d'agrafes selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les bords des ailes de la bande d'agrafes comportent des encoches régulièrement réparties, situées au niveau des zones de rupture et dont la forme définit celle des extrémités des tiges des agrafes. 4. Bande d'agrafes selon la revendication 3, caractérisée en ce que les extrémités des tiges des agrafes sont biseautées de manière à induire une déformation en flexion des tiges des agrafes lors de la pénétration de celles-ci dans les éléments à assembler. 5. Bande d'agrafes selon l'une quelconque des renvendications 1 à 4, caractérisée en ce que les ailes présentent des ondulations longitudinales sur leur face extérieure. 6. Bande d'agrafes selon l'une quelconque des renvendications 1 à 5, caractérisée en ce que les ailes présentent des perçages au niveau des zones de rupture. 7. Bande d'agrafes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la texture fibreuse de renfort est en un matériau choisi parmi le carbone et les céramiques et la matrice est essentiellement en un matériau choisi parmi le carbone et les céramiques. 8. Procédé de fabrication d'une bande d'agrafes en matériau composite, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à réaliser une texture de renfort fibreuse permettant d'obtenir une préforme de bande d'agrafes, densifier la texture fibreuse par un matériau formant une matrice, et obtenir la bande d'agrafes par usinage notamment pour former des parties d'affaiblissement ou prédécoupes destinées à constituer des zones de rupture facilitant la séparation de la bande d'agrafes en agrafes individuelles. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la texture de renfort fibreuse est réalisée par bobinage filamentaire sur un mandrin à section rectangulaire afin d'obtenir des préformes de deux bandes d'agrafes opposées l'une à l'autre. 10. Procédé pour la réalisation de structure composite constituée d'une texture fibreuse de renfort densifiée par une matrice, procédé comportant les étapes qui consistent à réaliser séparément des éléments constitutifs de la texture fibreuse de renfort de la structure, assembler les éléments de texture, et densifier la texture assemblée, par le matériau constitutif de la matrice, caractérisé en ce que l'assemblage des éléments de texture est réalisé au moins en partie par agrafage au moyen d'agrafes en matériau composite provenant d'une bande d'agrafes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.