Brevet FR2660673A1 — publié le 19911011

PROCEDE DE REALISATION DE PREFORMES AU MOYEN D'UNE TEXTURE TISSEE ET BOBINEE, POUR LA FABRICATION DE PIECES EN MATERIAU COMPOSITE La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite constituées d'une préforme fibreuse densifiée par une matrice. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à la réalisation de préformes au moyen d'une texture tissée et bobinée afin de fabriquer des pièces de révolution en matériau composite, notamment des pièces de révolution de forme non développable. Un domaine d'application de l'invention est la fabrication de pièces en matériaux composites thermostructuraux comme, par exemple, des divergents de tuyères ou des parties de réacteurs d'avion. Les matériaux composites thermostructuraux sont caractérisés par des propriétés mécaniques les rendant aptes à la fabrication d'éléments de structure et par la conservation de ces propriétés aux températures élevées. Des matériaux composites thermostructuraux bien connus sont les composites carbone/carbone (C/C) et les composites à matrice céramique (CMC). Dans les C/C, les fibres constitutives de la préforme sont en carbone, de même que la matrice. Dans les CMC, les fibres constitutives de la préforme sont en un matériau réfractaire, notamment carbone ou céramique, et la matrice est en matériau céramique, par exemple en carbure de silicium. Pour la réalisation de préformes de révolution, une technique bien connue consiste à bobiner une bande de texture fibreuse bidimensionnelle sur un mandrin dont le profil correspond à celui de la préforme à réaliser. La texture fibreuse est par exemple un tissu ou un feutre. Lorsque la préforme est cylindrique, il est possible d'utiliser une bande de texture fibreuse dont la largeur correspond à la dimension axiale de la préforme. La bande est bobinée en spires superposées éventuellement aiguilletées. Ce est, par contre, plus possible lorsque la préforme n'est pas cylindrique. Lorsque la préforme est tronconique, elle peut être réalisée par bobinage d'un tissu en spirale. Pour des formes plus complexes, il a été proposé d'utiliser un ruban de texture fibreuse qui est bobiné sur un mandrin pour former des couches superposées chacune constituée de spires jointives ou à léger recouvrement mutuel. Le ruban est aiguilleté sur la structure sous jacente, dès qu'il est appliqué sur celle-ci, ce qui assure le maintien de la position du ruban bobiné et procure une liaison entre les couches de la préforme. Un tel procédé est décrit dans le document EP-A-O 147 297. L'invention a pour but de fournir une nouvelle technique de réalisation d'une préforme fibreuse au moyen d'une texture tissée bobinée sur un mandrin dont la forme correspond à celle de la préforme à réaliser. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un procédé selon lequel la texture est tissée en appelant les fils de chaîne, provenant de plusieurs bobines d'alimentation, au moyen d'un rouleau dont la forme correspond à celle de la préforme à réaliser. Conformément à un mode particulier de mise en oeuvre du procédé, le rouleau d'appel est constitué par le mandrin même sur lequel la texture est bobinée au fur et à mesure qu'elle est tissée. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réaliser une préforme de révolution au moyen d'une texture tissée et bobinée pouvant épouser sans difficulté une forme de révolution complexe, non développable. 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 est une vue partielle d'une pièce de révolution de forme non développable; - la figure 2 est une vue très schématique d'une installation de tissage permettant la réalisation d'une préforme fibreuse destinée à la fabrication de la pièce de la figure 1 en un matériau composite; - les figures 3 et 4 sont des vues partielles en coupe illustrant schématiquement des préformes de divergents de tuyères, pouvant être réalisées par le procédé conforme à l'invention; - la figure 5 est une vue schématique en coupe montrant une préforme de révolution fermée à une extrémité et réalisable par le procédé conforme à l'invention;; - la figure 6 est une vue à échelle agrandie montrant un détail de la figure 5, et - la figure 7 illustre schématiquement un dispositif permettant d'aiguilleter la préforme au cours de sa fabrication. La figure 2 illustre à titre d'exemple une installation permettant la réalisation d'une préforme de révolution sensiblement cylindro-conique et de forme onduleuse. Une telle préforme 10, montrée sur la figure 1, est destinée par exemple à la réalisation d'une chambre de combustion en matériau composite thermostructural, pour un canal de post-combustion de réacteur d'avion. L'installation de tissage illustrée par la figure 2 se distingue essentiellement d'une machine à tisser traditionnelle par le fait que l'appel des fils de chaîne 12 est réalisé au moyen d'un rouleau d'appel 20 dont le profil onduleux cylindro-conique correspond à celui de la préforme 10 à réaliser. L'appel des fils de chaîne 12 est réalisé par rotation du rouleau 20. Pour un même angle de rotation du rouleau d'appel, les longueurs de fils de chaîne appelées sont différentes en raison de la forme non cylindrique du rouleau. Aussi, les fils de chaîne 12 sont fournis par des bobines d'alimentation différentes 22 (dont deux seulement sont représentées sur la figure 2). De façon classique, les fils de trame 14 sont introduits dans la foule 16 formée au moyen de lames 24, et sont chassés pour être tassés contre le tissu 18 précédemment formé. En raison de la forme non cylindrique du rouleau d'appel 20, la largeur totale de la chaîne au niveau de la foule 16 est supérieure à la largeur du tissu 18, mesurée axialement sur le rouleau d'appel 20. La tension exercée sur les fils de chaîne 12 amène les fils de trame 14, dans le tissu constitué, à suivre le profil du rouleau d'appel 20. Le cas échéant, un contre-rouleau, de forme complémentaire à celle du rouleau 20 et rappelé vers celui-ci pourra être utilisé pour forcer le tissu 18 à épouser le profil du rouleau 20 en passant entre celui-ci et le contre-rouleau. Dans l'exemple illustré, le rouleau d'appel 20 a non seulement un profil correspondant à celui de la préforme à réaliser, mais également des dimensions correspondant à celles de la préforme 10 et constitue le mandrin même sur lequel le tissu 18 est bobiné pour constituer la préforme 10. Le mandrin 20 est alors réalisé en graphite. Au début du tissage, les extrémités des fils de chaîne 12 sont collées sur la surface du mandrin 20 pour permettre l'appel par la rotation du mandrin. Lorsque le tissage a été effectué sur une longueur correspondant à environ un demi-tour du mandrin, c'est-à-dire avant recouvrement des extrémités collées des fils de chaîne, le tissu 18, déjà formé et enroulé sur le mandrin 20, est collé à son tour sur celui-ci et les parties terminales des fils de chaîne non tissées sont éliminées du mandrin. Le collage du tissu 18 sur le mandrin est réalisé par exemple au moyen d'une résine fugitive, telle qu une résine PVA (polyvinylalcool), c'est-à-dire d'une résine éliminable par traitement thermique sans laisser de résidu solide. L'élimination de la résine a lieu automatiquement lors des traitements ultérieurs auxquels la préforme est soumise pour l'obtention de la pièce composite à fabriquer. Le tissage est poursuivi, avec enroulement du tissu 18 sur le mandrin 20, jusqu'à atteindre l'épaisseur désirée pour la préforme 10. En fin d'enroulement, la fin de bande de tissu est découpée après avoir été fixée sur la préforme 10, pour l'empêcher de se dérouler.Cette fixation peut être réalisée par collage au moyen d'une résine fugitive, ou par couture, ou par implantation de fils. Dans le cas de collage par résine fugitive, des moyens supplémentaires de fixation de l'extrémité de la bande de tissu, notamment des moyens mécaniques, tels que des pinces ou une barrette, pourront être utilisés afin d'éviter tout risque de déroulement du tissu lors de la manipulation de la préforme. La préforme 10, enroulée sur le mandrin 20, est placée dans une installation de densification, par exemple une installation d'infiltration en phase vapeur, afin de déposer le matériau constitutif de la matrice. Une première phase d'infiltration est réalisée pour consolider la préforme, c'est-à-dire jusqu'à ce que les fibres de la préforme soient liées entre elles de façon suffisante pour permettre la manipulation de la préforme. Après consolidation, le mandrin en graphite 20 est retiré, par démontage ou usinage. La densification est poursuivie sur la préforme consolidée seule, telle que montrée par la figure 1, jusqu'à l'obtention de la densité désirée. Dans le cas envisagé de la fabrication d'une pièce en matériau composite thermostructural, les fils utilisés pour la réalisation de la préforme sont en fibres de matériau réfractaire, tel que le carbone ou un matériau céramique. Lorsque le matériau réfractaire dans lequel la préforme est à réaliser présente des caractéristiques qui le rendent peu apte aux opérations textiles, notamment à l'aiguilletage, le tissage et l'enroulement sont réalisés à partir de fils formés de fibres en un précurseur du matériau de la préforme avant aiguilletage. Ainsi, par exemple, dans le cas de préformes en carbone, le tissage peut être réalisé sur des fils en fibres PAN (polyacrylonitrile) préoxydé précurseur du carbone. De façon similaire, pour une préforme en matériau céramique, le tissage peut être réalisé sur des fils formés de fibres en précurseur non encore céramisé. Un traitement thermique doit alors être effectué sur la préforme 10, montée sur le mandrin 20, avant densification. Le matériau constitutif de la matrice est le carbone ou une céramique. Les techniques d'infiltration de tels matériaux en phase vapeur sont bien connues. On pourra notamment se référer aux documents FR-A-2 189 207, FR-A-2 401 888 et EP-A-O 085 601. L'installation de tissage décrite plus haut permet de réaliser un tissu à armure toile. D'autres types d'armures pourront être utilisées, par exemple une armure satin. Si la préforme bobinée présente des variations de diamètre importantes, certains fils de trame pourront être mis en place sur une partie seulement de la largeur de la foule, comme cela est connu en soi pour le tissage de tissu en spirale afin d'éviter des écarts trop importants de densité de fils de trame dans le tissu. Dans ce qui précède, la préforme 10 est obtenue par tissage et enroulement du tissu 18 directement sur le mandrin faisant fonction de rouleau d'appel. Il est bien entendu envisageable d'utiliser un rouleau d'appel ayant le profil de la préforme à réaliser, mais non nécessairement ses dimensions, par exemple avec un diamètre plus petit. Le tissu conformé par passage sur le rouleau d'appel est alors ensuite bobiné sur un rouleau récepteur, qui a de préférence un profil correspondant à celui de la préforme à réaliser. Le rouleau récepteur peut être constitué par le mandrin, destiné à recevoir la préforme, de sorte que la préforme est directement bobinée sur son mandrin. Le rouleau récepteur peut aussi constituer un rouleau de stockage d'où le tissu est ensuite déroulé pour être bobiné sur un mandrin, afin de former la préforme à réaliser. Dans le cas de préformes développables, il est alors possible de stocker sur le rouleau récepteur une longueur de tissu importante, obtenue par tissage continu, et permettant de réaliser plusieurs préformes analogues. Le procédé conforme à l'invention permet la réalisation de préformes de révolution ayant des formes non développables très diverses. La figure 3 montre une telle préforme 30, montée sur un mandrin 35 pouvant constituer le rouleau d'appel utilisé pour le tissage du tissu constitutif de la préforme. La préforme 30 a une forme en "coquetier" et est destinée à la réalisation d'un divergent de tuyère. La figure 4 montre une autre préforme 40 réalisable par le procédé selon l'invention et destinée à la réalisation d'un divergent de tuyère avec col intégré. La préforme 40 est formée sur un mandrin 45 réalisé en deux parties 451' 452 afin de permettre l'insertion d'une préforme annulaire 47 constituant le col de tuyère. La préforme 47 est constituée par une texture fibreuse tridimensionnelle, par exemple en carbone, consolidée par imprégnation par une résine fugitive ou par infiltration chimique en phase vapeur par une matrice carbone ou céramique. Le mandrin 45 avec l'insert intégré 47 peut être utilisé comme rouleau d'appel pour le bobinage de la préforme 40, celle-ci couvrant au moins en partie l'insert intégré 47. Après bobinage, l'ensemble est densifié pour consolider la préforme 40. Au cours de la densification, la matrice co-infiltrée dans la préforme 40 et l'insert 47 provoque la liaison ou le "collage" de ces deux parties entre elles. La densification est ensuite poursuivie jusqu'au stade final, le mandrin 45 ayant été retiré. Bien entendu, selon la pièce à réaliser, plusieurs inserts pourront être préalablement intégrés dans le mandrin utilisé pour former la préforme de la pièce. La figure 5 montre une préforme 50 formée sur un mandrin 55. La préforme 50 a une forme de révolution avec une section dans un plan axial en forme de C, c'est-à-dire ouverte à une extrémité axiale et fermée à la deuxième extrémité axiale. Le mandrin 55 est par conséquent monté en porte à faux à l'extrémité d'un arbre 57 d'entraînement en rotation. La préforme 50 est réalisée en deux parties. Une première partie 501 de forme tubulaire est réalisée suivant le procédé conforme à l'invention, par exemple en utilisant le mandrin 55 comme rouleau d'appel pour le tissage de la texture constituant cette partie 501. Une deuxième partie 502 en forme de calotte ferme la première partie 501 à la deuxième extrémité axiale de la préforme. La calotte 502 est constituée par des strates circulaires bidimensionnelles, par exemple en un tissu de même nature que celui constituant la partie 501. Comme le montre la figure 6, la jonction entre les strates superposées formant la calotte 502 et les couches ou spires superposées formant la partie tubulaire 501 est réalisée en intercalant les bords de celles-ci avec un léger recouvrement. Le mandrin 55 peut présenter une gorge 59 au niveau de cette jonction pour éviter la création d'une surépaisseur du côté extérieur de la préforme 50. De façon connue en soi, la préforme obtenue par le procédé conforme à l'invention peut être aiguilletée afin de réaliser une liaison entre les couches de tissu enroulées sur le mandrin. La figure 7 montre schématiquement une installation de tissage analogue à celle de la figure 1, dans laquelle le rouleau d'appel a été remplacé par un mandrin 75 destiné à la formation d'une préforme 70 analogue à la préforme 30 illustrée par la figure 3. L'aiguilletage de la préforme est réalisé au moyen d'une planche à aiguilles 73 de forme correspondant à celle d'une génératrice de la préforme 70. La planche à aiguilles 73 est montée au voisinage du mandrin 75, parallèlement à celui-ci, sensiblement au niveau où le tissu constitutif de la texture vient s'enrouler. La planche à aiguilles 73 est animée d'un mouvement alternatif dirigé radialement par rapport au mandrin afin de permettre aux aiguilles 76 de pénétrer dans la préforme. L'aiguilletage peut être réalisé après la fin du bobinage de la préforme. Pour obtenir un aiguilletage relativement homogène dans toute l'épaisseur de la préforme, il est toutefois préférable de réaliser l'aiguilletage au fur et à mesure de l'enroulement du tissu qui la constitue. Dans tous les cas, le mandrin 75 est revêtu d'une embase 77 en un matériau, tel qu'une mousse ou un feutre de matière plastique, par exemple un feutre de polypropylène, dans lequel les aiguilles peuvent pénétrer sans être endommagées et sans ramener de particules ou fibres au sein de la préforme. Un film 79, réalisé en un matériau pouvant être facilement traversé par les aiguilles, est collé sur l'embase 77 afin d'éviter que trop de fibres provenant de la préforme ne stinscrustent dans l'embase et compliquent la séparation entre la préforme et l'embase. Le film 79 est, par exemple, en polychlorure de vinyle. L'aiguilletage peut être effectué avec pénétration des aiguilles dans la préforme sur une profondeur constante, en écartant mutuellement la planche à aiguilles et l'axe du mandrin, après chaque tour du mandrin, d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche de tissu aiguilletée. Un tel principe d'aiguilletage est décrit dans le document FR-A-2 584 107, pour la fabrication de préformes cylindriques. Après bobinage, la préforme, maintenue en forme par l'aiguilletage, est retirée du mandrin 75 et de l'embase 77, sur laquelle le film 79 reste collé, sans qu'il soit nécessaire de procéder à une phase préalable de consolidation. Il n'est donc pas utile dans ce cas d'utiliser un mandrin en un matériau, tel que le graphite, pouvant supporter les conditions d'infiltration de la matrice. Bien entendu, l'aiguilletage peut être réalisé quel que soit le profil de la préforme, en adaptant la forme de la planche à aiguilles à ce profil. On notera encore qu'une liaison entre les couches de tissu enroulées sur le mandrin peut être réalisée par implantation de fils plutôt que par aiguilletage. Le procédé d'implantation de fils utilisé est par exemple du type de celui décrit dans la demande de brevet FR 2 565 262. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation d'une préforme fibreuse de révolution pour la fabrication d'une pièce en matériau composite, au moyen d'une texture tissée bobinée sur un mandrin dont la forme correspond à celle de la préforme à réaliser, caractérisé en ce que la texture est tissée en appelant les fils de chaîne, provenant de différentes bobines d'alimentation, au moyen d'un rouleau dont la forme correspond à celle de la préforme à réaliser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la texture, au fur et à mesure de son tissage, est bobinée sur le rouleau d'appel constituant le mandrin sur lequel est formée la préforme. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la texture bobinée sur le mandrin est aiguilletée. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'aiguilletage est réalisé au fur et à mesure du bobinage de la texture. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 st 2, caractérisé en ce que les couches de tissu formées par la texture bobinée sont liées entre elles par implantation de fils. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mandrin comprend au moins un insert intégré, constitué par un élément de préforme. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la préforme bobinée est de forme sensiblement tubulaire et est obturée à une extrémité par des strates d'une texture fibreuse dont les bords sont intercalés avec ceux de la préforme.