Brevet FR2664852A1 — publié le 19920124

i Procédé de réalisation de préformes fibreuses formées par un empilement de strates comportant de petits rayons de courbure pour la fabrication de pièces en matériau composite. La présente invention concerne la fabrication de pièces en matériau composite, et plus particulièrement la réalisation de préformes fibreuses de renfort qui, après densification par une matrice, permettent l'obtention de pièces en matériau composite. Un mode usuel de réalisation de préformes fibreuses consiste à empiler ou draper des strates fibreuses bidimensionnelles, telles que des strates de tissu, de feutre ou des nappes de fils ou de câbles, tout en donnant à l'empilement de strates une forme correspondant à ou proche de celle de la pièce en matériau composite à réaliser. Une difficulté surgit lorsque la préforme comprend des parties courbes avec de petits rayons de courbure, notamment lorsque le rayon de courbure est plus petit que l'épaisseur totale des strates empilées. En effet, comme le montrent les figures l A et l B, il se produit alors inévitablement un ou plusieurs vides 3 entre les strates fibreuses de renfort empilées 2 au niveau des parties courbes de la préforme 1. Les vides 2 constituent des discontinuités dans le renfort et ne peuvent être complètement comblés lors de la densification, en particulier lorsque celle-ci est réalisée par infiltration en phase vapeur Les vides subsistant au sein de la pièce composite obtenue constituent des points faibles et sont la cause d'apparition de défauts ou de détérioration de la pièce, en particulier par délaminage, c'est-à- dire décollage des strates les unes des autres. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en permettant la réalisation de préformes fibreuses de renfort exemptes de vides, même dans les parties courbes à petit rayon de courbure. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'invention, dans la ou chacune des parties courbes, on introduit au moins un insert, celui-ci étant disposé entre deux strates et comprenant une première surface courbe ayant un premier rayon de courbure sensiblement égal à celui de la surface de la strate adjacente du côté extérieur, et une deuxième surface courbe ayant un deuxième rayon de courbure supérieur au premier et sensiblement égal à celui de la strate adjacente du côté intérieur. L'insert est avantageusement constitué par une préforme ou structure fibreuse qui est maintenue dans la forme voulue par une prédensification, ou consolidation, ou par moulage au moyen d'une résine fugitive. Par consolidation, on entend ici une densification partielle juste suffisante pour lier entre elles les fibres de l'insert afin que celui-ci puisse être manipulé en conservant sa forme La consolidation est par exemple réalisée par infiltration chimique en phase vapeur au sein de la texture fibreuse de l'insert maintenue dans un outillage lui conférant la forme appropriée. Par résine fugitive, on entend ici une résine susceptible d'être éliminée sans laisser de résidu solide. L'élimination de la résine peut être effectuée par la chaleur, par exemple lors de la montée en température nécessaire à la densification de la préforme munie de l'insert On pourra choisir une résine fugitive à taux de coke nul tel qu'une résine de type PVA (polyvinylalcool). La densification de l'insert est réalisée (ou terminée, s'il a été consolidé) lors de la densification de la préforme. Cette densification peut être réalisée par voie gazeuse (infiltration chimique en phase vapeur) ou par voie liquide (cycles successifs, comprenant une imprégnation par un précurseur de la matrice, suivie d'un traitement de transformation du précurseur, par exemple un traitement thermique). La structure fibreuse de l'insert est de préférence réalisée de fibres identiques à celles de la préforme de la pièce à réaliser. Cette structure fibreuse peut être obtenue par moulage de fibres courtes non orientées. De préférence, la réalisation de la structure fibreuse de l'insert comprend les étapes de formation d'un empilement de strates analogues à celles utilisées pour la préforme de la pièce à réaliser, liaison des strates empilées par consolidation ou par moulage au moyen d'une résine fugitive et découpe ou usinage de l'insert dans l'empilement de strates Avantageusement, l'usinage est réalisé de manière à conserver au sein de la structure fibreuse de l'insert des orientations des fibres voisines de celles des strates de la préforme dans laquelle l'insert est introduit, cela afin d'éviter des discontinuités dans les orientations des fibres après mise en place de l'insert. 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: les figures l A et l B, déjà décrites, illustrent la formation de vides dans des parties à petit rayon de courbure dans une préforme fibreuse formée par un empilement de strates, la figure 2 montre la disposition d'un insert dans une partie à petit rayon de courbure d'un empilement de strates selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 3 montre la disposition de plusieurs inserts dans une même partie à petit rayon de courbure, la figure 4 montre la disposition d'un insert s'étendant sur plusieurs parties à petit rayon de courbure, et les figures 5 et 6 illustrent un mode de fabrication d'inserts. La figure 2 illustre un mode de réalisation d'une préforme fibreuse 10 formée par empilement de strates 12 et comprenant au moins une partie courbe avec des faces en forme de portions de cylindres, le rayon de courbure r, au niveau de la face convexe, étant plus petit que l'épaisseur totale e de la préforme. Les strates utilisées sont des strates fibreuses bidimensionnelles, par exemple des strates de tissu Le matériau constitutif des strates est choisi, en fonction de l'utilisation future de la pièce à réaliser, parmi les fibres habituellement utilisées pour constituer des textures de renfort de pièces en matériau composite, par exemple des fibres de verre, des fibres aramide, des fibres de carbone ou des fibres céramiques. Comme le montre la figure 1, du côté extérieur de la préforme 10, c'est-à-dire du côté de la face convexe l Oa de la partie courbe, plusieurs premières strates 12 sont empilées Le nombre de ces premières strates est choisi de sorte que leur épaisseur soit inférieure au rayon de courbure r de la partie courbe de la préforme à sa face convexe 1 ia Ainsi, les premières strates 12 peuvent être empilées sans former de vide au niveau de la partie courbe Au moins une première strate 12 est nécessaire afin d'assurer la continuité de la préforme sur sa face convexe. Un insert 14 est mis en place dans la partie courbe, cet insert ayant une section en forme de croissant avec une face externe convexe 14 a, située du côté de la face convexe 10 a, qui a un rayon de courbure sensiblement égal à celui de la surface de la strate adjacente 12 L'insert 14 présente du côté externe une forme correspondant à celle de l'empilement des première strates 12, du côté intérieur, de sorte qu'il n'existe pas de vide entre ce premier empilement et l'insert 14. Sur sa face interne concave 14 b, l'insert 14 présente un rayon de courbure supérieur à celui de la face externe 14 a, ce rayon de courbure étant au moins aussi grand que l'épaisseur de la partie restante de la préforme 10 du côté intérieur de celle- ci Cette partie restante est formée par empilement de deuxièmes strates 12, jusqu'à atteindre l'épaisseur totale e de la préforme Au niveau de la partie courbe de la préforme, celle parmi les deuxièmes strates 12 qui est en contact avec la face interne 14 b de l'insert épouse la forme de cette face interne, en prenant le même rayon de courbure que celle-ci, de sorte qu'il n'existe pas de vide entre le deuxième empilement et l'insert 14. Au-delà des bords 14 c et 14 d de l'insert 14 o se rejoignent les faces 14 a et 14 b, les deux empilements de strates 12 sont en contact mutuel sans vide intermédiaire. Ainsi, l'insert 14 permet de réaliser une adaptation du rayon de courbure au niveau de la partie courbe de la préforme pour éviter la formation de vides entre strates empilées, dans cette partie courbe. En variante, cette adaptation du rayon de courbure peut être réalisée de façon progressive au moyen de plusieurs inserts tels que les inserts 141, 142 et 143 montrés sur la figure 3. Chaque insert a une forme analogue à celle de l'insert 14 de la figure 2 et, comme celui-ci, a des faces externe et interne courbes avec des rayons de courbure choisis pour éviter la formation de vides dans l'empilement des strates 12 formant la préforme 10. Lorsque la préforme présente plusieurs parties courbes rapprochées, chacune avec un faible rayon de courbure, on pourra utiliser un insert s'étendant de façon continue d'une partie courbe à l'autre, ou plusieurs inserts s'étendant chacun de façon continue d'une partie courbe à l'autre. Ainsi, la figure 4 montre une préforme fibreuse 20 ayant une portion à section en U, chacune des deux parties courbes 201 et 202 ayant une face convexe avec un rayon de courbure plus petit que l'épaisseur de la préforme 20. Dans l'exemple illustré, un seul insert 24 est utilisé et est disposé entre un premier et un deuxième empilement de strates 22. L'insert 24 comprend une première partie 24, qui réalise une adaptation du rayon de courbure entre le premier et le deuxième empilement de strates au niveau de la partie courbe 20 î et une deuxième partie 242 qui réalise une adaptation similaire du rayon de courbure entre le premier et le deuxième empilement de strates 22 au niveau de la partie courbe 202 Les deux parties de l'insert 24 sont reliées l'une à l'autre par une partie de liaison 243 d'épaisseur constante Celle-ci est disposée entre le premier et le deuxième empilement de strates, dans la partie de la préforme 20 qui s'étend entre les deux parties courbes 201 et 202. Le ou chaque insert utilisé dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est constitué par une texture fibreuse réalisée de préférence à partir des mêmes fibres que les strates empilées formant la préforme de la pièce à réaliser. La texture fibreuse d'un insert peut être réalisée de différentes façons. Un premier procédé consiste à réaliser un assemblage de fibres courtes non orientées mises en forme par moulage au moyen d'une résine fugitive Les fibres sont disposées dans un moule ayant la forme de l'insert à réaliser et la résine fugitive est injectée dans le moule. La résine fugitive est utilisée en quantité juste suffisante pour lier les fibres entre elles de sorte que la texture fibreuse conserve sa forme après démoulage Une densification poussée par la résine fugitive n'est pas nécessaire. Un autre procédé consiste à réaliser un assemblage de strates fibreuses de même nature que celles utilisées pour la préforme et à découper l'insert dans cet assemblage par exemple par usinage. Les strates sont empilées en étant de préférence courbées pour présenter, du côté interne, un rayon de courbure correspondant à celui de la face concave de l'insert. La figure 5 montre un tel assemblage de strates 32 destiné à l'obtention de l'insert 14 de la figure 2. Les strates 32 empilées sont maintenues en forme par moulage au moyen d'une résine fugitive, puis l'insert est découpé comme indiqué en tirets sur la figure 5. L'utilisation d'un empilement de strates 32 courbé permet d'obtenir une texture fibreuse dans laquelle les fibres ont des orientations similaires à celles des fibres des strates de la préforme dans lesquelles la texture fibreuse est insérée La mise en place de l'insert 14 ne produit donc pas de discontinuité dans l'orientation des fibres. La figure 6 montre de façon analogue un assemblage de strates 42 avec deux parties courbes permettant de découper une texture fibreuse propre à constituer l'insert 24 de la figure 4. Après mise en place du ou des inserts, la préforme fibreuse subit une densification par une matrice pour obtenir la pièce composite désirée. Le matériau constitutif de la matrice est choisi en fonction de l'utilisation envisagée pour la pièce Il peut s'agir par exemple de carbone ou de céramique dans le cas de pièces en matériau composte thermostructural Dans ce cas, les fibres de la préforme et du ou des inserts sont également en carbone ou en céramique. La densification de la préforme est réalisée par voie liquide ou par voie gazeuse, de façon connue en soi. La densification par voie liquide consiste à imprégner la préforme d'un précurseur liquide donnant, après traitement, par exemple thermique, le matériau désiré pour la matrice, puis à réaliser ce traitement thermique Ces opérations sont renouvelées au cours de cycles successifs jusqu'à obtenir le niveau de densification souhaité Dans le cas d'une matrice carbone, le liquide d'imprégnation est typiquement une résine à taux de coke élevé. La densification par voie gazeuse consiste à réaliser une infiltration chimique en phase vapeur, la préforme étant maintenue dans un outillage au moins jusqu'au stade de consolidation, c'est-à-dire jusqu'à ce que les fibres la constituant soient liées entre elles. La résine fugitive donnant sa cohésion à la texture fibreuse de l'insert est automatiquement éliminée lors de la montée en température de la préforme pour la densification. En variante, les fibres constitutives de la texture fibreuse formant un insert peuvent être liées entre elles par consolidation (densification partielle), par infiltration chimique en phase vapeur Pendant cette consolidation, l'assemblage de fibres formant l'insert ou les strates dans lesquelles l'insert est ultérieurement découpé sont maintenues en forme dans un outillage. La densification de la texture fibreuse de l'insert est alors achevée en même temps qu'est réalisée la densification de la préforme. Lorsque les fibres de l'insert sont liées entre elles par une pré- densification, le matériau utilisé pour cette pré-densification est bien entendu compatible avec, ou identique au matériau de la matrice de la pièce composite réalisée. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la réalisation de préforme fibreuse destinée à la fabrication de pièce en matériau composite, la préforme étant formée par empilement de strates et comprenant au moins une partie courbe ayant un rayon de courbure plus petit que l'épaisseur des strates empilées, caractérisé en ce que, dans la ou chacune des parties courbes, on introduit au moins un insert, celui-ci étant disposé entre deux strates et comprenant une première surface courbe ayant un premier rayon de courbure sensiblement égal à celui de la surface de la strate adjacente du côté extérieur, et une deuxième surface courbe ayant un deuxième rayon de courbure supérieur au premier et sensiblement égal à celui de la strate adjacente du côté intérieur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs inserts sont introduits dans la, ou chaque partie courbe de la préforme. 3 Procédé selon la revendication 1 pour la réalisation de préforme fibreuse ayant plusieurs parties courbes, caractérisé en ce qu'au moins un insert est introduit dans la préforme, l'insert étant en une seule pièce avec des parties logées dans les parties courbes et reliées entre elles. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'insert est constitué par une texture fibreuse dans laquelle les fibres sont liées entre elles. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison est réalisée par une résine fugitive. 6 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison est réalisée par une pré-densification. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou chaque insert est constitué par une texture fibreuse réalisée par formation d'un empilement de strates analogues à celles utilisées pour la préforme de la pièce à réaliser liaison des strates empilées et découpe de l'insert dans l'empilement de strates.