Brevet FR2678000A1 — publié le 19921224

Texture tridimensionnelle sans lacroporosités La présente invention se rapporte à une texture tridimensionnelle comprenant, superposées en alternance, des nappes croisées de fils de chaîne et de fils de trame de même épaisseur, dans chacune desquelles les fils sont parallèles et régulièrement espacés, les fils des nappes de même nature s'empilant exactement les uns au-dessus des autres suivant une direction perpendiculaire aux nappes, et un faisceau de fils de liage s'étendant suivant cette direction et traversant lesdites nappes de fils par les portions des intervalles d'espacement entre fils situées en alignement suivant ladite direction. Il s'agit donc d'une structure dite "3D orthogonal". Parmi les textures tridimensionnelles fibreuses tissées, c'est la texture définie ci-dessus, avec fils de liage orthogonaux aux nappes de fils de chaîne et de fils de trame, qui est la plus avantageuse pour la réalisation de composites thermostructuraux. Elle offre en effet les meilleures caractéristiques mécaniques, du fait que tous ses fils constitutifs, qui se croisent dans les trois directions, sont rectilignes ou sensiblement rectilignes. Cette texture permet d'obtenir des taux de fibres de 40 à 50 %, alors que les textures tridimensionnelles de type différent, par exemple la texture dénommée INTERLOCK, n'atteignent que 30 % à l'état libre (c'est-à-dire sans compactage). Toutefois, la texture en cause comporte un inconvénient. Le croisement des fils de chaîne et des fils de trame, espacés pour permettre aux fils de liage de traverser les nappes de fils correspondantes, entraîne en effet la présence de cavités réparties dans la texture, ces cavités étant formées par les portions des intervalles d'espacement entre fils qui sont situées entre des fils de liage adjacents. De telles cavités, dont les dimensions correspondent à la section des fils de la texture, constituent des vides internes qui sont difficiles à combler par la résine d'imprégnation ou par matrice déposée en phase vapeur utilisées pour réaliser des pièces en composite. Dans le cas où la matrice est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur au sein de la texture, le composite réalisé présente des macroporosités importantes correspondant auxdites cavités, celles-ci n'ayant été comblées que très partiellement, quelle que soit la taille des fils utilisés. Cela résulte notamment du fait que la résine, dans le cas du moulage, ou le matériau d'infiltration chimique en phase vapeur ne peut pénétrer que lentement dans la texture en raison de l'absence de passages traversant l'épaisseur de celle-ci, ne parvenant que difficilement à chacune des cavités internes fermées. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Elle consiste essentiellement à remplir, au moins en partie, les cavités que renferme la texture considérée, par des fils de guipage entourant par paire chacun des fils de liage qui sont alors renforcés suivant deux hélices identiques, coaxiales et diamétralement opposées, de mème sens pour tous les fils de liage, le pas de chaque hélice étant égal au quadruple de l'épaisseur commune des nappes de fils de chaîne et de trame. Ainsi, dans la texture selon l'invention, les fils de liage sont entourés de fils de guipage hélicoidaux dont le pas permet leur imbrication dans les cavités de la texture, de sorte que celles-ci sont comblées par un apport de fils, et ce partiellement ou, éventuellement, presque en totalité si l'on choisit pour les fils de guipage des fils, tels que des filés de section ronde, susceptibles de foisonner et, par suite, de se déployer dans les cavités en s'adaptant à leur forme particulière. Autrement dit, la présence des fils de guipage, remplissant plus ou moins complètement les cavités, transforment les macroporosités que celles-ci constituent en microporosités. L'apport de deux fils de guipage sur les fils de liage permet de réduire le titre de ces derniers, amenant alors une réduction des cavités fermées par diminution du logement formé par les portions précitées des intervalles d'espacement entre fils situées en alignement. En outre, le fait de munir les fils de liage de fils de guipage les rend cylindriques, ce qui ouvre des passages entre les cavités voisines, lesquels permettent au gaz de densification d'atteindre plus aisément les cavités à travers la texture. On peut utiliser, en tant que fils de guipage, soit des fils souples (non imprégnés), soit des fils rigides (imprégnés de résine sous forme de baguettes), suivant le mode de réalisation adopté pour confectionner la texture. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une texture tridimensionnelle telle que définie dans ce qui précède. Selon ce procédé, on utilise, pour constituer les fils de liage, un fil préalablement pourvu d'une paire de fils de guipage enroulés suivant une double hélice. On peut faire en sorte que le fil guipé soit un fil souple de grande longueur, que l'on insère par tissage dans les nappes de fils de chaîne et de trame, ou qu'il se présente sous la forme de baguettes rigides. Dans ce dernier cas, lorsque les intervalles entre spires des fils de guipage sont laissés libres, les baguettes peuvent être insérées par vissage dans les nappes superposées de fils de chaîne et de fils de trame. En variante, les intervalles entre spires des fils de guipage sont garnis d'un matériau provisoire tel qu'une résine fugace de façon à former des baguettes lisses dont, après confection de la texture, ledit matériau est éliminé.De telles baguettes lisses peuvent être soit glissées à travers les nappes superposées de fils de chaîne et de fils de trame, soit utilisées comme éléments fixes autour desquels la texture est réalisée par dépôt successif desdites nappes, après quoi le matériau de garnissage provisoire est éliminé. Celui-ci peut être appliqué sur les fils guipés sous la forme d'une couche comblant les intervalles entre spires des fils de guipage, soit sous la forme de fils enroulés hélicoîdalement entre lesdites spires. Le positionnement longitudinal desdites baguettes lisses est facilité lorsque le matériau de garnissage offre une épaisseur radiale inférieure au diamètre des fils de guipage, de sorte que les fils de guipage, en légère saillie, trouvent aisément leur place dans les cavités voisines de chaque baguette. Les textures tridimensionnelles selon la présente invention sont notamment applicables à la réalisation de composites thermostructuraux. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. La figure 1 représente en perspective, avec un fort grossissement, une portion de texture tridimensionnelle selon l'art antérieur. La figure 2 représente, à la manière de la figure 1, une portion de texture tridimensionnelle selon l'invention. La figure 3 représente une vue -de dessus de l'objet de la figure 2, l'un des fils de liage étant montré sans ses fils de guipage. La figure 4 représente une coupe selon la ligne IV-IV de l'objet de la figure 3. La figure 5 représente, à la manière de la figure 4, une texture réalisée à partir de fils foisonnants tels que des filés. La figure 6 représente en perspective un morceau de fil de liage, souple ou rigide, équipé de sa paire de fils de guipage. Les figures 7a et 8 représentent des coupes axiales de l'objet de la figure 6, un matériau de garnissage ayant été inséré entre les spires des fils de guipage suivant deux variantes de réalisation, la figure 7b montrant le fil guipé obtenu après élimination du matériau de garnissage dans la variante de la figure 7a. On voit sur la figure 1 une portion de structure textile tridimensionnelle composée de nappes horizontales de fils rectilignes, savoir des nappes de fils de chaîne 1 et des nappes de fils de trame 2. Ces nappes, croisées et superposées en alternance, sont traversées par des fils de liage 3 verticaux. Dans chaque nappe, les fils 1, 2, de même épaisseur e, s'étendent parallèlement et sont mutuellement espacés suivant des intervalles identiques. Les fils de chaîne 1 des différentes couches sont disposés à l'aplomb les uns des autres; il en va de même pour les fils de trame 2. Par suite, les portions des intervalles séparant les fils de chaîne et celles des intervalles séparant les fils de trame qui se trouvent alignées verticalement forment des conduits 30 où sont introduits les fils de liage 3, dont la section prend naturellement une forme carrée. Une telle texture n'est pas partout pleine de matière textile. Il subsiste en effet des cavités 4 entre les fils (1 ou 2) superposés des nappes de même nature, limitées par deux fils (2 ou 1) adjacents de la nappe interposée entre ces deux nappes et par les deux fils de liage 3 passant entre ces deux derniers fils et encadrant les deux fils superposés précités. Comme on peut s'en rendre compte sur la figure 1, ces cavités sont closes et ne communiquent pas entre elles. Afin de réduire l'importance des vides internes formés par les cavités 4, et de les faire communiquer, autour des fils de liage 3 sont enroulés hélicoidalement (figure 2) des fils de guipage Sa, 5b avec un pas permettant leur imbrication dans les cavités 4. Plus précisément, chaque fil de liage 3 reçoit une paire de fils de guipage Sa, 5b de même grosseur, qui s'enroulent suivant deux hélices identiques, diamétralement opposées par rapport à l'axe du fil 3.Ces hélices, de pas p égal à 4e, sont positionnées de façon que les fils Sa, 5b correspondants pénètrent dans les différentes cavités 4, lesquelles se succèdent autour du fil 3 comme les marches d'un escalier à double révolution qui comporterait quatre marches par tour pour chaque révolution. La présence des fils de guipage Sa, 5b a pour effet de donner aux fils de liage 3 une section de forme circulaire. Il apparaît de ce fait, entre les cavités 4, des passages 6 qui mettent en communication les diverses cavités 4. Comme on peut le voir sur la figure 3, au niveau d'une nappe de fils déterminée, par exemple une nappe de fils de chaîne 1, quatre passages 6 se forment autour d'un fil de liage 3. Sur ces quatre passages 6, deux seulement (diamétralement opposés) sont opérants, les deux autres étant bouchés respectivement par l'un ou l'autre des fils de guipage Sa, 5b. Toutefois, les deux passages 6 laissés libres au niveau de chaque nappe horizontale de fils suffisent pour assurer la mise en communication de toutes les cavités 4.Ainsi, ces passages forment des couloirs de distribution des gaz de densification au sein de la texture lors de la confection de la matrice. Il convient, comme représenté, que les fils de guipage Sa, 5b aient un diamètre égal à l'épaisseur e des fils de chaîne et de trame. Suivant la largeur de ces derniers fils, les cavités 4 seront plus ou moins remplies par les fils de guipage. On peut avantageusement utiliser pour guiper les fils de liage des fils de structure foisonnante (filés de section circulaire) ayant un diamètre supérieur à ladite épaisseur e. De tels fils, s'adaptant à la forme des cavités, sont susceptibles de les remplir presque complètement, ce qui est intéressant surtout pour des textures de faible épaisseur (1 cm par exemple).On peut de même utiliser, en tant que fils de chaîne et de trame, au lieu de fils formés de filaments continus, des filés (par exemple de carbone ou de carbure de silicium) qui, par effet de foisonnement, réduisent le volume des cavités 4 et augmentent ainsi le taux de remplissage de celles-ci, comme le montre la figure 5. Les fils de liage guipés peuvent être réalisés sous la forme d'un fil souple de grande longueur à partir d'un fil 3 (fil continu ou filé) guipé de deux fils Sa, 5b (fils continus ou filés) encollés, disposés hélicoidalement autour du fil 3 avec un pas p déterminé par l'épaisseur e des nappes successives de fils de chaîne et de trame. Un tel fil guipé souple (figure 6) peut être utilisé dans un métier à tisser les textures "3D orthogonal", dans lequel il est inséré par tissage suivant un trajet en zig-zag à travers les nappes de fils de chaîne et de trame superposées.En variante, on peut choisir des fils 3, Sa, 5b de nature telle que le fil guipé soit obtenu sous la forme de baguettes rigides, qui peuvent être insérées par vissage dans les conduits 30 laissés libres dans l'empilement des nappes de fils de chaîne et de trame du fait de l'espacement ménagé entre ceux-ci. Il convient alors de fixer, par exemple par collage, les fils de guipage sur les fils de liage. On peut réaliser les fils guipés sous forme de baguettes rigides lisses (figure 7a) à partir de fils constitutifs de nature quelconque, en enroulant hélicoidalement les fils de guipage Sa, 5b autour du fil de liage 3, puis en garnissant, par pultrusion, les intervalles entre spires d'une résine fugace 7 (alcool polyvinylique PVA). De telles baguettes peuvent être insérées dans la texture en substitution, suivant la technique AEROSPATIALE, de tiges métalliques provisoires utilisées pour confectionner la texture, sans que cette insertion entraîne de la part des fils de guipage une détérioration des fils des nappes superposées. Une fois la texture réalisée, l'élimination du PVA permet aux fils des nappes de s'intégrer entre les fils de guipage Sa, 5b.Afin de faciliter le positionnement longitudinal des baguettes ainsi réalisées, il convient de donner à la résine 7 une épaisseur un peu inférieure à celle des fils de guipage, de manière que les baguettes soient amenées à se positionner correctement, les spires des fils de guipage face aux cavités 4 à remplir. Les fils de guipage sont, comme le montre la figure 7a, ovalisés par compactage au cours de la pultrusion pour leur permettre de mieux s'intégrer dans la texture (au moment du montage des baguettes dans la texture), puis sont libérés dans la texture par élimination de la résine fugace et, ayant repris une section circulaire (figure 7b), s'intègrent dans les cavités. En variante, selon la figure 8, la garniture de résine 7 peut être remplacée par deux fils intercalaires 7a, 7b, également en PVA, bobinés hélicoidalement entre les fils de guipage Sa, 5b. Pour la raison indiquée ci-dessus, il est préférable de donner aux fils intercalaires 7a, 7b une épaisseur inférieure à celle des fils de guipage Sa, 5b. Les fils guipés de liage réalisés sous forme de baguettes rigides (figures 7 et 8) sont également utilisables sur les machines BROCHIER qui permettent de réaliser des textures tridimensionnelles de révolution par dépôt de nappes de fils entre des fils rigidifiés implantés radialement en hélice sur un mandrin cylindro-conique à la forme interne de la texture à obtenir. Les baguettes de fil guipé garni de PVA sont implantées sur le mandrin et la texture est réalisée, après quoi le PVA est éliminé. Revendications 1. Texture tridimensionnelle comprenant, superposées en alternance, des nappes croisées de fils de chaîne et de fils de trame de même épaisseur, dans chacune desquelles les fils sont parallèles et régulièrement espacés, les fils des nappes de même nature s'empilant exactement les uns au-dessus des autres suivant une direction perpendiculaire aux nappes, et un faisceau de fils de liage s'étendant suivant cette direction et traversant lesdites nappes de fils par les portions des intervalles d'espacement entre fils situées en alignement suivant ladite direction, caractérisée par le fait que les cavités (4) que renferme cette texture, formées par les portions des intervalles d'espacement entre fils (1, 2) qui sont situées entre des fils de liage (3) adjacents, sont remplies, au moins en partie, par des fils de guipage (5a, 5b) entourant par paire chacun des fils de liage (3) suivant deux hélices identiques, coaxiales et diamétralement opposées, de même sens pour tous les fils de liage, le pas de chaque hélice étant égal au quadruple de l'épaisseur (e) commune des nappes de fils de chaîne (1) et de trame (2). 2. Texture selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les fils de guipage (5a, 5b) sont des fils souples. 3. Texture selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les fils de guipage (5a, 5b) sont des fils de structure foisonnante, tels que des filés. 4. Texture selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les fils de guipage (5a, Sb) sont des fils rigides. 5. Texture selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les fils de guipage (5a, 5b) remplissent partiellement lesdites cavités (4). 6. Texture selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les fils de guipage (5a, 5b) remplissent presque complètement lesdites cavités (4). 7. Procédé de réalisation d'une texture tridimensionnelle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise, pour constituer les fils de liage, un fil (3) préalablement pourvu d'une paire de fils de guipage (5a, 5b) enroulés suivant une double hélice. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le fil guipé est un fil souple de grande longueur, que l'on insère par tissage dans les nappes de fils de chaîne (1) et de trame (2). 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le fil guipé se présente sous la forme de baguettes rigides. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les intervalles entre spires des fils de guipage (5a, 5b) sont laissés libres et que les baguettes sont insérées par vissage dans les nappes superposées de fils de chaîne (1) et de fils de trame (2). 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les intervalles entre spires des fils de guipage (5a, 5b) sont garnis d'un matériau provisoire de façon à former des baguettes lisses dont, après confection de la texture, ledit matériau est éliminé, libérant les fils de guipage compactés dans les cavités. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit matériau est appliqué sous la forme d'une couche (7) comblant lesdits intervalles. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit matériau est appliqué sous la forme de fils (7a, 7b) enroulés hélicoîdalement entre les spires des fils de guipage (5a, 5b). 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé par le fait que ledit matériau offre une épaisseur radiale inférieure au diamètre des fils de guipage (5a, 5b).