Brevet FR2669854A1 — publié le 19920605

I Procédé d'élaboration d'une préforme fibreuse d'épaisseur évolutive pour fabriquer une pièce en matériau composite. La présente invention concerne l'éLaboration de préformes de renfort fibreuses destinées à la fabrication de pièces en maté- riau composite. Le domaine d'application de l'invention est celui des pièces en matériau composite constituées d'une préforme fibreuse densifiée par une matrice, et plus particulièrement, mais non exclusivement, de pièces en forme de feuilles ou de voiles ayant une épaisseur relativement faible vis-à-vis de leurs autres dimen- sions Un exemple d'application de l'invention est la réalisation de pièces en matériaux composites structuraux, c'est-à-dire dont les propriétés mécaniques permettent Leur utilisation en tant qu'éléments de structures, notamment des pièces en matériaux compo- sites thermostructuraux, c'est-à-dire capables de conserver leurs propriétés mécaniques à des températures élevées Des exemples de composites thermostructuraux sont les composites carbone-carbone (C/C) constitués d'une préforme de renfort en fibres de carbone densifiée par une matrice en carbone ou les composites à matrice céramique (CMC) constitués d'une préforme de renfort normalement en fibres réfractaires (carbone ou céramique, par exemple) densifiée par une matrice céramique. Un procédé connu d'élaboration de préformes fibreuses pour des pièces en matériau composite consiste à superposer des strates d'une texture fibreuse et à aiguilleter les strates afin de les lier dans une direction transversale par rapport aux strates. Un tel procédé est par exemple décrit dans le document FR- A-2 584 106, les strates étant aiguilletées au fur et à mesure de leur superposition. Les strates sont constituées d'une texture fibreuse géné- ralement bidimensionnelle, comme, par exemple, un tissu ou un feutre Des textures plus complexes peuvent être utilisées, par exemple des nappes de câbles unidirectionnelles préaiguilletées entre elles ou avec un voile de fibres, ou un tissu et un voile de fibres préaiguilletés. Cette technique connue soulève des difficultés de mise en oeuvre lorsque la préforme à élaborer, dont la forme correspond à celle de la pièce à fabriquer, a une épaisseur non constante. OS Dans le cas, par exemple, d'une préforme présentant une partie en creux d'épaisseur évolutive, il pourrait être envisagé de pratiquer des découpes dans les strates afin de former la partie en creux recherchée par superposition des strates prédécoupées. Or, en raison de l'épaisseur non uniforme des strates découpées superposées, l'aiguilletage est malaisé et il est prati- quement impossible de réaliser un aiguilletage avec une efficacité constante au sein de la préforme. Ainsi, l'invention a pour but de fournir un procédé d'élaboration d'une préforme fibreuse d'épaisseur évolutive par aiguilletage de strates superposées permettant d'obtenir avec pre- cision la forme souhaitée. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'inven- tion, dans la ou chaque partie de la préforme à élaborer o celle- ci a une épaisseur réduite en formant un évidement: on intercale entre deux strates voisines un masque constitué par un film mince en un matériau susceptible d'être tra- versé par les aiguilles lors de l'aiguilletage tout en s'opposant au passage substantiel de fibres prélevées par les aiguilles, et on coupe chaque strate, après qu'elle a été aiguil- Letée, suivant une ligne correspondant au contour de l'évidement de la préforme, au niveau o la strate est située dans la préforme, un masque situé entre deux strates découpées ayant une surface au moins égale à celle inscrite entre les lignes de coupe des deux strates, de sorte que les parties de strates délimitées par les lignes de coupe ne sont pas fortement liées au reste de la préforme par l'aiguilletage et que l'évidement peut être formé en procédant, après aiguilletage de toutes les strates, au retrait des parties de strates découpées et au pelage des masques. La coupe d'une strate peut être effectuée immédiatement après son aiguilletage, la partie découpée étant laissée en place jusqu'à ce que toutes les strates soient aiguilletées De la sorte, chaque passe d'aiguilletage, après superposition d'une nouvelle strate, est réalisée sur un empilement de strates d'épaisseur sensiblement uniforme, ce qui simplifie l'aiguilletage. En variante, les strates peuvent être coupées après aiguilettage de toutes les strates, en commençant par la première ou dernière strate et en procédant successivement au fur et à mesure du retrait des parties de strates découpées. Les masques sont constitués par un film mince n'introdui- sant pas de surépaisseurs notables lors de l'aiguilletage L'épais- seur du film est de préférence inférieure ou égale à 0,2 mm. Le film est par exemple en polyéthylène. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une préforme fibreuse d'épaisseur évolutive, les figures 2 A à 2 L illustrent les étapes successives d'élaboration de la préforme de la figure 1, selon un procédé con- forme à l'invention, et la figure 3 illustre une variante du procédé montré par les figures 2 A à 2 L. Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit dans le cas de l'élaboration d'une préforme fibreuse formée par empilement de strates à plat. Les strates sont constituées d'une texture fibreuse bi- dimensionnelle Plusieurs types de textures peuvent être utilisés, notamment des textures formées à partir de fibres courtes, de filaments continus ou discontinus, de fils ou câbles, ou encore de mèches de filature Ainsi, les strates peuvent être constituées par des couches de feutre, ou des couches de tissu ou des couches constituées de nappes de fils ou de câbles unidirectionnels, les directions des fils ou câbles étant modifiées d'une couche à l'autre Des textures plus complexes peuvent être utilisées, comme par exemple un complexe de tissu et voile de fibres préaiguilletés ou un complexe de nappe de câbles et voile de fibres préaiguilletés ou un complexe formé de plusieurs nappes de fils ou câbles préaiguilletées Dans le cas de textures complexes, le préaiguilletage est réalisé avec une densité surfacique relativement faible (par exemple 5 à coups/cm 2) l'objet du préaiguilletage étant de permettre la manipulation des textures. Le matériau constitutif des fibres de la préforme est choisi en fonction de l'utilisation envisagée pour la pièce réa- lisée après densification de la préforme. Dans le cas de pièces en matériau composite thermo- structural, la préforme est réalisée en fibres utilisées tradition- nellement pour la fabrication de telles pièces, comme les fibres aramide, les fibres carbone ou les fibres céramique (carbures, oxydes, siliciures, borures, etc, par exemple carbure de silicium ou carbonitrure de silicium). Dans le cas de fibres carbone, et surtout de fibres céra- mique, l'élaboration de la texture de renfort, en particulier au stade de l'aiguilletage, est réalisée sur un précurseur des fibres, comme cela est connu en soi Le terme de précurseur s'étend comme étant tout stade intermédiaire dans l'élaboration des fibres, que ce soit le précurseur organique proprement dit ou à un stade ulté- rieur de traitement thermique qui permet d'optimiser le caractère textile de la fibre afin d'assurer un bon aiguilletage Ainsi, à titre d'exemple, pour une texture de renfort en fibres de carbone à précurseur polyacrylonitrile (PAN), l'aiguilletage est réalisé sur des fibres à l'état PAN préoxydé, avant carbonisation, tandis que, pour une texture de renfort en fibres de carbure de silicium à pré- curseur polycarbosilane (PCS), l'aiguilletage est réalisé sur des fibres en précurseur à l'état infusible, après traitement thermique modéré complétant la réticulation, et avant céramisation. Telle que représentée par la figure 1, la préforme à réa- liser 10 est constituée par un empilement à plat de strates 12 rec- tangu Laires ou carrées et présente, dans sa partie centrale, une partie en creux, ou évidement 14 également de forme rectangulaire ou carrée Cet évidement 14, qui s'étend à partir d'une face 10 a de la préforme 10, sur une partie de l'épaisseur de celle-ci, présente une forme générale concave avec une dimension qui décroît à partir de la face 10 a L'évidement 14 est formé par des découpes réalisées dans Les strates 12, donnant des gradins successifs 16 le Long des bords de l'évidement 14 La largeur des gradins 16 est bien entendu plus ou moins grande selon que la variation de dimension de l'évi- dement 14 suivant sa profondeur est plus ou moins importante. L'aiguilletage de la préforme est réalisé suivant le principe décrit dans le document FR-A-2 584 106 précité. L'aiguilletage est réalisé sur un support horizontal 20 au moyen d'une planche à aiguilles 24 (uniquement représentée sur la figure 2 A) La planche à aiguilles 24 s'étend au moins sur toute la longueur de la préforme et est animée d'un mouvement vertical alternatif (flèches F 1) Le support 20 est mobile horizontalement, perpendiculairement à la planche à aiguilles (flèches F 2), de manière à présenter les strates à aiguilleter devant la planche à aiguilles sur toute leur largeur Le plateau 20 est également mobile verticalement (flèches F 3). Après mise en place de chaque nouvelle strate, une passe d'aiguilletage est réalisée sur toute sa surface, par déplacement horizontal du support 20 A chaque pénétration des aiguilles 26, les aspérités (ou barbes) de celles-ci entraînent des fibres du matériau constitutif des strates, lesquelles fibres réalisent des liaisons transversales entre les strates superposées Les aiguilles pénètrent dans la préforme sur une profondeur égale à plusieurs fois l'épaisseur d'une strate Après aiguillettage d'une strate, le plateau 20 est déplacé verticalement vers le bas d'un pas corres- pondant sensiblement à l'épaisseur d'une strate aiguilletée De la sorte, la profondeur d'aiguilletage est maintenue constante pendant toute l'opération Après aiguilletage de la dernière strate et afin d'obtenir une densité d'aiguilletage constante dans toute l'épaisseur de la préforme, il est nécessaire de procéder à des passes d'aiguil Letage de finition, comme si de nouvelles strates étaient mises en place. L'éLaboration de la préforme suivant le procédé conforme à l'invention sera maintenant décrite de façon plus détaillée. Une première strate 121, constituant la strate de la pré- forme la plus proche de la face 10 a, est placée sur le support 20 avec interposition, successivement, d'une embase 22 et d'un film d'interface 180 entre le plateau 20 et la strate 12 a (figure 2 A). L'embase 22 est en un matériau, tel qu'une mousse ou un feutre de matière plastique, par exemple un feutre de poly- propylène, dans lequel les aiguilles 26 peuvent pénétrer sans être endommagées, et sans ramener de particules ou fibres au sein de la préforme Le film 180, qui peut être collé sur l'embase 22, est en un matériau qui peut être facilement traversé par les aiguilles 26, mais qui évite que trop de fibres provenant des strates ne s'incrustent dans l'embase 22 et compliquent la séparation entre la préforme terminée et l'embase Le film 180 est, par exemple, en polyéthylène. La strate 121 est aiguilletée sur l'embase 22, celle- ci étant d'épaisseur suffisante pour éviter le contact entre les aiguilles 26 et le plateau 20. Après aiguilletage de la strate 121, celle-ci est coupée le long d'une ligne 141 qui correspond au contour de l'évidement 14, au niveau de l'ouverture de celui-ci (figure 2). La coupe de la strate 121 est réalisée sur une épaisseur au moins égale à celle de la strate et est effectuée, par exemple, manuellement On utilise à cet effet un gabarit dont le contour reproduit la ligne 141, et un outil de coupe tel qu'un cutter rotatif. La partie centrale 12 '1 de la strate 121 délimitée par la ligne 141 est laissée en place, et un masque évidé 181 de forme extérieure correspondant à celle de cette partie centrale est placé exactement sur celle-ci, avant mise en place d'une deuxième strate 122 (figure 2 C) Le masque 181 est évidé dans sa partie centrale de sorte qu'il reproduit sensiblement la forme du gradin qui sera formé par la strate 122. Le plateau 20 ayant été déplacé d'un pas vers le bas, la strate 122 est aiguilletée sur toute sa surface Le masque 181 est en un matériau choisi pour s'opposer à ce que trop de fibres venant de la strate 122 s'incrustent dans la partie centrale 12 '1 de la strate 121, c'est-à-dire pour éviter une liaison substantielle entre la partie centrale 12 '1 et la strate 122 Le matériau constitutif du masque 181 est, par exemple, identique à celui du film 180 L'épaisseur du masque 181 est limitée, par exemple égale ou inférieure à environ 0,2 mm, afin de ne pas créer de surépaisseur notable. Après aiguilletage de la strate 122, celle-ci est coupée le long d'une ligne 142 qui correspond au contour de l'évidement 14, au niveau de la deuxième strate de la préforme 10, à partir de la face 10 a (figure 2 D) Le masque évidé 18 s'inscrit entre les lignes 141 et 142. La partie centrale 12 '2 de la strate 122 délimitée par la ligne 142 est laissée en place et un masque 182 évidéde dimension extérieure correspondant à celle de cette partie centrale 12 '2 est placé exactementsur celle-ci avant mise en place d'une troisième strate 123 (figure 2 E). Le plateau 20 ayant été déplacé d'un pas vers le bas, la strate 123 est aiguilletée sur toute sa surface, puis est coupée suivant une ligne 143 qui correspond au contour de l'évidement au niveau de la troisième strate à partir de la face 10 a de la pré- forme (figure 2 F) Le masque évidé 182 s'inscrit entre les lignes 142 et 143. La partie centrale 12 ' de la strate 123 délimitée par la ligne 143 est laissée en place et un masque 183 évidé, de dimension extérieure correspondant à celle de cette partie centrale, est placé exactement sur celle-ci avant mise en place d'une quatrième strate 124 (figure 2 G). Le plateau 20 ayant été déplacé vers le bas d'un nouveau pas, la strate 124 est aiguilletée sur toute sa surface, puis est coupée suivant une ligne 144 qui correspond au contour de l'évide- ment 14 au niveau de la quatrième strate à partir de la face 10 a de La préforme (figure 2 H) Le masque évidé 183 s'inscrit entre lignes 143 et 144. La partie centrale 12 '4 de la strate 124 délimitée par la ligne 144 est laissée en place et un masque 184 de dimension extérieure correspondant à celle de cette partie centrale est placé exactement sur celle-ci avant mise en place d'une cinquième strate 125 (figure 2 I). Le plateau 20 ayant été déplacé vers le bas d'un nouveau pas, la strate 125 est aiguilletée sur toute sa surface. Les masques 182, 183 et 184 sont réalisés dans le même matériau que le masque 181. Dans l'exemple illustré, l'évidement 14 a une profondeur correspondant à quatre strates. Aussi, après aiguilletage de la strate 125, des strates supplémentaires ( 126, 127) sont successivement mises en place et aiguilletées, en décalant à chaque fois le plateau d'un pas vers le bas, jusqu'à atteindre l'épaisseur totale de la préforme (figure 2 J). L'aiguilletage étant terminé, y compris les passes de finition, la préforme obtenue est séparée de l'embase 22 et du film et retournée, de sorte que la strate 121 se trouve au-dessus (figure 2 K). Les parties centrales 12 '1, 12 '2, 12 '3, 12 '4 des strates 121, 122, 123, 124 ne sont que faiblement liées au reste de la préforme, en raison de la présence des masques 181 à 184, et peuvent donc être faiblement retirées Après pelage des masques, on obtient la préforme 10 désirée avec l'évidement 14 (figure 2 L). Les masques 181 à 184, qui sont constitués par un film mince, et du fait qu'ils sont évidés, permettent de conserver une épaisseur sensiblement uniforme pendant l'aiguilletage, donc de réaliser celui-ci dans les meilleures conditions. Il est toutefois envisageable d'utiliser des masques non évidés, si leur épaisseur et leur nombre sont suffisamment faibles. Sur les figures 2 A à 2 L, des espaces entre strates ont été représentés de façon exagérément agrandie, pour la clarté du dessin De même, le profil de L'évidement en gradins correspondant aux strates est représenté de façon exagérée En effet, selon l'épaisseur des strates, le nombre de strates dans lesquelles pénètre l'évidement 14 et La variation de dimension de l'évidement en fonction de sa profondeur, ce profil en gradins est plus ou moins marqué, voire même quasi inexistant. Après son élaboration, la préforme 10 est densifiée pour obtenir la pièce en matériau composite désirée La densification est réalisée par toute technique connue en soi, comme, par exemple, l'infiltration chimique en phase vapeur (densification par voie gazeuse) ou l'imprégnation par un précurseur de la matrice, suivie d'un traitement donnant la matrice à partir du précurseur (densifi- cation par voie liquide). Dans l'exemple décrit, la préforme 10 présente un seul évidement 14 Bien entendu, le procédé de masquage selon l'inven- tion peut être utilisé de la même façon lorsque plusieurs évide- ments doivent être formés En outre, la forme de l'évidement 14 pourra être autre que carrée ou rectangulaire, le pourtour de l'évidement pouvant suivre toute ligne fermée éventuellement au moins en partie courbe. En outre, la coupe des strates selon des lignes corres- pondant au contour de l'évidement à former peut être réalisée après la fin de l'aiguilletage, plutôt que consécutivement à l'aiguille- tage de chaque strate concernée La coupe est alors effectuée au stade correspondant à celui de la figure 2 K Les strates sont découpées successivement, au fur et à mesure du retrait des parties découpées des strates précédentes et du pelage des masques précédents. Selon encore une autre variante de mise en oeuvre du pro- cédé illustré par les figures 2 A à 2 L, la mise en place et l'aiguilletage des strates sur le support 20 muni de l'embase 22 et du film 180 peuvent être commencés à partir des strates adjacentes à la face 10 b de la préforme opposée à la face 10 a (figure 1), comme illustré par la figure 3 Plusieurs strates sont ainsi superposées et aiguilletées avant mise en place du masque 184 à l'emplacement du fond de l'évidement 14 Ensuite, les strates 124, 123, 122 et 121 sont successivement mises en place, aiguilletées et coupées en intercalant les masques 183, 182 et 181 La préforme est obtenue comme précédemment, après retrait de l'embase 22 et du film 180 et après retrait des parties découpées des strates 121 à 124 et pelage des masques 181 à 184. Dans l'exemple illustré par la figure 3, les masques 181 à 183 ne sont pas évidés Il est toutefois possible d'utiliser des masques évidés, comme dans l'exemple précédent. Enfin, on notera que la technique de masquage conforme à l'invention peut être utilisée pour l'élaboration de préformes formées par bobinage et aiguilletage sur elle-même d'une texture fibreuse bidimensionnelle en bande, et non par empilement de strates à plat Dans ce cas, la technique d'aiguilletage peut être conforme à celle décrite dans le document FR-A-2 584 107 Des masques sont intercalés entre les strates formées par les spires de la préforme bobinée, et des découpes sont pratiquées dans ces spires, aux emplacements correspondant à celui du ou de chaque évi- dement à former. il REVENDICATIONS 1 Procédé d'élaboration d'une préforme fibreuse d'épais- seur évolutive pour fabriquer une pièce en matériau composite, com- prenant La superposition de strates de texture fibreuse et L'aiguil Letage des strates, au fur et à mesure de Leur superposition, caractérisé en ce que, dans La ou chaque partie de La préforme à éLaborer o cel Le-ci a une épaisseur réduite en formant un évidement: on intercale entre deux strates voisines un masque constitué par un fi Lm mince en un matériau susceptible d'être tra- versé par Les aiguilles lors de L'aiguil Letage tout en s'opposant au passage substantiel de fibres prélevées par les aiguilles, et on coupe chaque strate, après qu'e L Le a été aiguil- Letée, suivant une ligne correspondant au contour de L'évidement de La préforme, au niveau o la strate est située dans La préforme, un masque situé entre deux strates découpées ayant une surface au moins égale à celle inscrite entre les lignes de coupe des deux strates, de sorte que les parties de strates délimitées par les Lignes de coupe ne sont pas fortement Liées au reste de La préforme par l'aiguilletage et que L'évidement peut être formé en procédant, après aiguil Letage de toutes Les strates, au retrait des parties de strates découpées et au pelage des masques. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'on coupe chaque strate immédiatement après son aigui L Letage, la partie découpée étant laissée en p Lace jusqu'à ce que toutes Les strates soient aigui L Letées. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'on coupe les strates après aiguil Letage de toutes Les strates, en commençant par La première ou dernière strate et en procédant successivement au fur et à mesure du retrait des parties de strates découpées. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Les masques sont formés par un film en po Lyéthylène. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque masque est environ inférieure ou égale à 0,2 mm. 6 Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que la première strate est disposée sur un support avec interposition d'une embase en un matériau permettant la pénétration des aiguilles sans les endommager. 7 Procédé se Lon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un masque est intercalé entre La première strate et L'embase.