Brevet FR2689809A1 — publié le 19931015

PROCEDE ET OUTILLAGE DE FORMAGE D'UN PROFILE EPAIS ET/OU NON DEVELOPPABLE EN MATERIAU COMPOSITE. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de formage d'un profilé en matériau composite, utilisable notamment pour le formage d'un profilé épais et/ou non développable. L'invention concerne également un outillage pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans de nombreux secteurs industriels, la part prise par les éléments métalliques diminue progressivement, au profit de la part prise par les éléments en matériaux composites. Cette évolution est très sensible notamment dans l'industrie aéronautique. Elle s'explique principalement par le gain de poids que procure, pour une tenue mécanique donnée, l'utilisation des matériaux composites et par la possibilité offerte par ces matériaux de réaliser des structures présentant des caractéristiques mécaniques qui diffèrent d'une direction à une autre. Un autre avantage procuré par les structures en matériaux composites concerne la possibilité de réaliser des structures présentant des formes non planes, sans perte de matière. En effet, de telles formes peuvent etre obtenues directement par drapage de nappes de fibres unidirectionnelles pré imprégnées de résine sur un outillage présentant une forme complémentaire de la forme à réaliser. De plus, lorsque la structure à réaliser n'est pas trop épaisse et présente une forme développable, il est possible de réaliser une ébauche plane par drapage, puis de donner la forme définitive en appliquant l'ébauche contre une matrice de formage à l'aide d'une vessie étanche et déformable, de part et d'autre de laquelle on crée une différence de pression assurant la déformation souhaitée. Cette dernière technique est illustrée, par exemple, par le document US-A-4 664 737. Cependant, les techniques de fabrication des structures en matériaux composites actuellement utilisées ne sont pas satisfaisantes lorsque ces structures présentent des zones d'angulation importantes interdisant leur fabrication directe par drapage et lorsqu'elles sont de forte épaisseur et/ou lorsqu'elles présentent une forme non développable. En effet, si une telle structure est fabriquée selon une technique du type de celle qui est décrite dans le document US A-4 664 737, le formage de l'ébauche sur la matrice se traduit par des déformations qui rendent la pièce inacceptable. Ainsi, on a représenté sur la figure 1 un profilé 1 à section en forme de L, de forte épaisseur et de forme non développable, fabriqué en utilisant la technique de formage décrite dans le document US-A4 664 737. Les défauts observés ont été volontairement accentués pour faciliter l'explication. Le profilé 1 présente une surface extérieure sensiblement plane sur les deux parties du L formé par le profilé, et une surface intérieure étagée donnant au profilé une épaisseur plus importante dans les deux parties d'extrémité la que dans la partie centrale lb. Les parties la et lb sont reliées par des zones de transition lc, dans lesquelles l'épaisseur varie progressivement. Cette configuration est la même dans la partie principale 1D du profilé que dans la partie 1E rabattue lors du formage. La forme ainsi définie est non développable. De plus, le profilé présente une épaisseur relativement importante (par exemple environ 30 mm dans les parties d'extrémité la). Sous l'effet du formage, on voit sur la figure 1 que de deux sortes de plis se sont formés dans les nappes de fibres situées à l'extérieur du profilé. Les premiers de ces plis, désignés par la référence 2 2 sur la figure 1, sont situés sur la partie rabattue 1E du profilé, et s'étendent parallèlement à l'angle de pliage 1F du profilé, à proximité de cet angle, dans les parties d'extrémité la de plus forte épaisseur. D'autres plis, désignés par la référence 3 sur la figure 1, sont également formés sur la partie rabattue 1E du profilé, perpendiculairement à l'angle de pliage 1F, le long des zones de changement d'épaisseur du profilé, ces plis étant d'autant plus marqués qu'on s'éloigne de l'angle 1F. Comme on l'a aussi illustré sur la figure 1, le formage du profilé a également conduit à un rétreint de la partie rabattue 1E dans le sens de la longueur du profilé, d'autant plus sensible qu'on s'éloigne de l'angle de pliage 1F. Comme on l'a décrit dans le document US-A4 784 920, il est possible de remédier aux inconvénients posés par le formage d'un profilé de forte épaisseur en formant séparément des profilés complémentaires de faible épaisseur, puis en les assemblant de façon à obtenir le profilé de forte épaisseur à réaliser. Cependant, cette technique présente l'inconvénient majeur d'être très longue à mettre en oeuvre, ce qui la rend pratiquement inutilisable industriellement. L'invention a précisément pour objet un procédé de formage autorisant la fabrication industrielle de profilés en matériaux composites pouvant présenter une épaisseur importante et/ou une forme non développable, sans que ce formage n'engendre des déformations importantes telles que des plis rendant le profilé obtenu inutilisable. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de formage d'un profilé en matériau composite, selon lequel on place une ébauche plane sur une matrice de formage s'étendant selon un axe longitudinal du profilé à former, on place une première vessie étanche et déformable sur cette ébauche, et l'on soumet cette vessie à une différence de pression, de façon à appliquer l'ébauche sur la matrice, caractérisé par le fait que l'on place une deuxième vessie étanche et déformable entre l'ébauche et la matrice, on établit entre la première et la deuxième vessie une pression inférieure à la pression atmosphérique et inférieure à la pression régnant de part et d'autre des vessies, et l'on applique ladite différence de pression de part et d'autre des vessies, tout en exer çant sur l'ébauche une tension selon ledit axe longitudinal. En plaçant l'ébauche de pièce entre deux vessies entre lesquelles on établit une dépression et en exerçant sur l'ébauche une tension longitudinale, on réalise le formage du profilé d'une manière telle que les plis et le rétreint qui tendent normalement à se former dans la partie rabattue du profilé, comme on l'a décrit précédemment en se référant à la figure 1, disparaissent pour l'essentiel. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on applique la différence de pression en créant entre la deuxième vessie et la matrice une pression inférieure à la pression atmosphérique et supérieure à la pression établie entre les vessies. Avantageusement, on exerce la tension longitudinale sur l'ébauche en associant aux vessies des organes sensiblement indéformables selon l'axe longitudinal du profilé, au moins dans des premières zones des vessies situées au-delà de l'ébauche, selon cet axe longitudinal, et appelées à se déformer lorsqu'on applique la différence de pression de part et d'autre des vessies. De préférence, on associe également aux ves sies des organes sensiblement indéformables dans des deuxièmes zones de ces vessies adjacentes aux premières zones et à des parties d'extrémité de l'ébauche, ces deuxièmes zones étant situées au-delà d'un bord latéral de ces parties d'extrémité. Les organes sensiblement indéformables peuvent notamment être constitués par des bandes placées entre la première et la deuxième vessies, ces bandes étant réalisées en un matériau apte à ne pas glisser sur les vessies lorsqu'on applique la différence de pression de part et d'autre de celles-ci. Avantageusement, ce matériau peut être le même que celui dans lequel sont réalisées les vessies. L'invention a aussi pour objet un outillage de formage de profilés en matériaux composites, comprenant une matrice de formage s 'étendant selon un axe longitudinal du profilé à former et sur laquelle peut être placée une ébauche plane, une première vessie étanche et déformable apte à être placée sur l'ébauche, et des premiers moyens pour soumettre la vessie à une différence de pression, de façon à appliquer l'ébauche sur la matrice, caractérisé par le fait qu'il comprend une deuxième vessie étanche et déformable, apte à être placée entre l'ébauche et la matrice, des deuxièmes moyens pour établir entre la première et la deuxième vessie une pression inférieure à la pression atmosphérique et à la pression établie par les premiers moyens de part et d'autre des vessies, et des moyens de mise en tension longitudinale de l'ébauche, associés aux vessies pour exercer sur l'ébauche une tension selon ledit axe longitudinal, lors d'un actionnement des premiers moyens. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1, déjà décrite, est une vue en perspective représentant un profilé en matériau composite, de forte épaisseur et non développable, fabriqué selon une technique de formage classique - la figure 2 est une vue en coupe transversale représentant un outillage de formage d'un profilé en matériau composite réalisé conformément à l'invention ; et - la figure 3 est une vue de dessus de l'outillage de la figure 2, après enlèvement de la vessie étanche supérieure. On décrira tout d'abord en se référant aux figures 2 et 3 un outillage de formage permettant, conformément à l'invention, de réaliser directement un profilé en matériau composite pouvant présenter une épaisseur relativement importante et une forme non développable, sans que ce profilé ne présente des défauts inacceptables. Sur la figure 2, la référence 10 désigne un marbre sur lequel est fixée une matrice de formage 12 dont la partie supérieure présente une forme complémentaire de la forme intérieure du profilé à former. Le marbre 10 supporte également de façon étanche un cadre 14 placé autour de la matrice de formage 12, à une certaine distance de celle-ci. L'épaisseur du cadre 14 est sensiblement la même que celle de la matrice 12, de telle sorte que les faces supérieures 14a et 12a du cadre 14 et de la matrice 12 sont situées sensiblement dans un même plan horizontal. L'ensemble formé par le marbre 10, la matrice 12 et le cadre 14 constitue la partie fixe de l'outillage de formage, ce dernier comprenant en outre des parties mobiles qui vont à présent être décrites en se référant aux figures 2 et 3. Ces parties mobiles de l'outillage de formage comprennent tout d'abord une vessie extérieure 16, étanche et déformable, montée sur un cadre rigide 18 dont la forme et les dimensions sont proches de celles du cadre 14. Les éléments mobiles de l'outillage de formage comprennent également une vessie intérieure 20, étanche et déformable, également montée sur un cadre rigide 22 dont les formes et les dimensions sont les mêmes que celles du cadre rigide 18. Ce cadre rigide 22 est prévu pour être interposé de façon étanche entre le cadre 18 et le cadre 14, de telle sorte que les cadres 18 et 22 puissent être montés et démontés séparément. De façon plus précise, le cadre 22 portant la vessie intérieure 20 est muni sur sa face tournée vers le cadre 14 de moyens d'étanchéité lui permettant d'être appliqué de façon étanche sur la face supérieure de ce cadre 14. De façon comparable, le cadre 18 portant la vessie extérieure 16 est muni sur sa face tournée vers le cadre 22 de moyens d'étanchéité lui permettant d'être appliqué de façon étanche sur la face supérieure de ce cadre 22. Comme on l'a représenté de façon schématique sur la figure 2, les vessies 16 et 20 sont prévues pour être placées de part et d'autre d'une ébauche de pièce 24, de forme plane, obtenue par une opération préalable de drapage, réalisée par exemple à l'aide d'une machine de drapage. Ainsi, l'ébauche de pièces 24 est formée d'un certain nombre de couches de fibres unidirectionnelles préimprégnées de résine, les fibres des couches adjacentes étant agencées selon des directions différentes. Lorsqu'on utilise le procédé de formage selon l'invention, le nombre de ces couches peut être supérieur à 100. De façon habituelle, des films séparateurs 26 sont interposés entre l'ébauche de pièce 24 et chacune des vessies 16 et 20. Ces films séparateurs 26 ont pour fonction de faciliter le démontage des vessies et de la pièce en présence de la résine imprégnant les fibres dans l'ébauche 24. A titre d'exemple, le matériau étanche et déformable dans lequel sont réalisées les vessies 16 et 20 peut être par exemple du latex, un polyamide ou un élastomère. Dans le cas où le matériau composite comporte une résine thermoplastique, les vessies peuvent aussi être réalisées en polyimide, ou en aluminium super plastique. Comme le montre schématiquement la figure 2, l'outillage de formage comporte de plus une canalisation 28 de mise en dépression de l'espace 30 formé entre la partie fixe de l'outillage et la vessie intérieure 20. Cette canalisation 28 est reliée à une installation de vide (non représentée) permettant d'établir dans l'espace 30 une pression maximale de l'ordre de 0,1 atmosphère. La canalisation 28 traverse le marbre 10 et débouche sur la face supérieure de ce dernier entre la matrice de formage 12 et le cadre 14. Par ailleurs, l'extrémité d'une canalisation 32 de mise en dépression de l'espace 34 formé entre les vessies 16 et 20 est fixée de façon étanche sur la vessie extérieure 16. L'extrémité opposée de cette canalisation 32 est reliée à une installation de vide (non représentée) permettant d'établir, dans l'espace 34, une pression qui est à tout instant pilotable. A titre d'exemple, la pression régnant dans l'espace 34 peut être comprise entre environ 0,1 atmosphère et environ 0,2 atmosphère. La forte dépression établie dans l'espace 34 permet, pendant toute la durée du formage, de maintenir étroitement l'ébauche 24 entre les vessies 16 et 20. La dépression créée dans l'espace 30 permet quant à elle d'établir une différence de pression entre la pression atmosphérique régnant à l'extérieur de l'outillage et la pression régnant dans cet espace 30. Cette différence de pression agit de part et d'autre des deux vessies 16 et 20 entre lesquelles est emprisonnée l'ébauche de pièce 24. Elle a pour effet de déformer l'ensemble ainsi formé, de façon à lui faire épouser la forme de la matrice de formage 12 pour ce qui concerne la partie de cet ensemble située au-dessus de la matrice. On réalise ainsi, selon le cas, une ou deux parties rabattues conduisant à la formation d'un profilé à section en forme de L ou de U. Comme l'illustre plus précisément la figure 3, l'outillage de formage comprend de plus des éléments complémentaires permettant d'assurer une mise en tension longitudinale de l'ébauche de pièce 24 lors du formage, afin de s'opposer à la formation de plis sur le ou les parties rabattues et au rétreint longitudinal de ces parties. Pour obtenir cette mise en tension longitudinale, on place entre les vessies 16 et 20, en des emplacements qui vont être précisés ultérieurement, des organes sensiblement indéformables selon l'axe longitudinal de l'ébauche. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3r ces organes sensiblement indéformables sont constitués par des bandes 36a et 36b disposées côte à côte selon l'axe longitudinal de la pièce et réalisées en un matériau apte à ne pas glisser sur les vessies 16 et 20 lorsque celles-ci se déforment au cours du formage. On conçoit que ces bandes 36a et 36b ont alors pour effet, dans les zones dans lesquelles elles sont situées, d'empêcher ou de réduire très sensiblement l'allongement des vessies 16 et 20 dans le sens longitudinal de la pièce, ce qui se traduit par l'application d'un effort de tension longitudinal sur l'ébauche au cours du formage. Afin d'éviter tout glissement entre les bandes 36a et 36b et les vessies 16 et 20, on choisit pour réaliser les bandes un matériau dont le coefficient de frottement avec le matériau constituant les vessies est très élevé. Un tel résultat peut être avantageusement obtenu en réalisant les bandes 36a et 36b dans le même matériau que les vessies 16 et 20. Comme l'illustre plus précisément la figure 3, les bandes 36a sont orientées selon l'axe longitudinal de l'ébauche et placées dans deux premières zones situées au-delà des extrémités longitudinales d'une partie 24E de l'ébauche 24 destinée à être rabattue lors du formage. Ces bandes 36a, qui sont par exemple au nombre de trois dans chacune des zones considérées, empêchent ou limitent fortement la déformation des vessies 16 et 20 dans ces zones lors du formage, ce qui se traduit alors par l'application d'une tension sur l'ébauche 24, dans le sens longitudinal de celle-ci, sur la partie rabattue 24E. Les bandes 36b sont également orientées selon l'axe longitudinal de l'ébauche. De plus, elles sont placées dans des deuxièmes zones adjacentes aux premières zones dans lesquelles sont situées les bandes 36a. Plus précisément, ces deuxièmes zones sont situées au-delà du bord latéral 25 de la partie 24E de l'ébauche 24 rabattue lors du formage et elles sont adjacentes aux bandes 36a ainsi qu'aux parties d'extrémité longitudinale de l'ébauche 24. Les bandes 36a peuvent par exemple être au nombre de deux dans chacune des deuxièmes zones considérées, comme le montre la figure 3. En étant placées au-delà du bord latéral 25, les bandes 36a exercent une tension orientée en oblique sur l'ébauche 24. Plus précisément, cette tension comporte une composante longitudinale comparable à la tension exercée par les bandes 36a, ainsi qu'une composante transversale, orientée vers l'extérieur de l'ébauche, appliquée sur les extrémités de la partie rabattue 24E de l'ébauche, lors du formage de celle-ci. Comme le montre la figure 3, la qualité du formage peut encore être améliore en doublant, du côté de l'ébauche 24, chacune des vessies 16 et 20 au moyen d'une plaque de renfort 38, avantageusement réalisée dans le même matériau que les vessies 16 et 20, et en plaçant sur chacune des extrémités longitudinales de cette plaque de renfort 38 un ruban de renfort 40 sur lequel sont placées les bandes 36a et 36b. Les rubans de renfort 40 sont également réalisés avantageusement dans le même matériau que les vessies 16 et 20. De plus, ils présentent ainsi que la plaque de renfort 38, sensiblement la même épaisseur que les vessies. Enfin, les bandes 36a et 36b présentent une épaisseur telle que l'épaisseur totale de l'empilement au droit de ces bandes soit sensiblement le même que l'épaisseur de l'empilement au droit de l'ébauche 24. Par ailleurs, des lanières de bordurage 42 sont avantageusement placées sur les extrémités longitudinales de l'ébauche 24 ainsi que le long du bord longitudinal opposé à la partie 24E rabattue lors du formage. Lorsque l'outillage qui vient d'être décrit est mis en oeuvre, en appliquant dans l'espace intervessies 34 un vide compris entre environ 0,1 atmosphère et 0,3 atmosphère et en appliquant dans l'espace 30 un vide compris entre environ 0,5 atmosphère et environ 0,6 atmosphère, on réalise sur l'ébauche 24 une ou deux parties rabattues, selon la forme de la matrice de formage 12. De plus, la forme initialement plane de l'ébauche 24 peut devenir non développable si la surface de formage définie par la matrice 12 est non développable. Cependant, grâce au maintien de l'ébauche 24 entre les vessies 16 et 20 tout au long du formage et grâce à l'application sur cette ébauche d'une tension longitudinale grâce aux bandes 36a et 36b, la pièce obtenue est pratiquement dépourvue de plis et de rétreint, même s'il s'agit d'un profilé épais et/ou présentant une forme non développable. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, l'invention s'applique au formage de tout type de profilé en matériau composite présentant une épaisseur relativement faible par rapport aux autres dimensions, quelles que soient l'application concernée et la nature du matériau composite. Ainsi, dans le cas particulier de la fabrication des profilés entrant dans la composition des aéronefs, le procédé et l'outillage selon l'invention peuvent être utilisés, à titre d'exemple, pour le formage des longerons de voilure, des éléments de panneaux autoraidis et des cadres de fuselage. Par ailleurs, le matériau composite dans lequel est réalisé le profilé peut être un matériau de type organique, céramique ou métallique, comprenant selon le cas une matrice thermoplastique, thermodurcissable ou métallique et des fibres de renfort qui peuvent être continues, longues ou courtes. Enfin, il est à noter que la mise en tension longitudinale de l'ébauche peut être obtenue par des moyens différents, qui peuvent par exemple faire partie intégrante des vessies. REVENDICATIONS 1. Procédé de formage d'un profilé en matériau composite, selon lequel on place une ébauche plane (24) sur une matrice de formage (12) s'étendant selon un axe longitudinal du profilé à former, on place une première vessie étanche et déformable (16) sur cette ébauche, et l'on soumet cette vessie à une différence de pression, de façon à appliquer l'ébauche sur la matrice, caractérisé par le fait que l'on place une deuxième vessie étanche et déformable (20) entre l'ébauche et la matrice, on établit entre la première et la deuxième vessies (16,20) une pression inférieure à la pression atmosphérique et inférieure à tout instant à la pression régnant de part et d'autre des vessies, et l'on applique ladite différence de pression de part et d'autre des vessies, tout en exerçant sur l'ébauche une tension selon ledit axe longitudinal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on applique ladite différence de pression en créant entre la deuxième vessie (20) et la matrice (12) une pression inférieure à la pression atmosphérique et supérieure à la pression établie entre les vessies (16,20). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on exerce ladite tension sur l'ébauche en associant aux vessies (16,20) des organes (36a) sensiblement indéformables selon ledit axe longitudinal, au moins dans des premières zones desdites vessies situées au-delà de l'ébauche (24), selon ledit axe longitudinal, et appelées à se déformer lorsqu'on applique la différence de pression de part et d'autre des vessies. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on associe également aux vessies des organes (36b) sensiblement indéformables dans des deuxièmes zones des vessies adjacentes aux premières zones et à des parties d'extrémité de l'ébauche, et situées au-delà d'un bord latéral (25) de ces parties d'extrémité. 5. Outillage de formage de profilés en matériaux composites, comprenant une matrice de formage (12) s'étendant selon un axe longitudinal du profilé à former et sur laquelle peut être placée une ébauche plane (24), une première vessie étanche et déformable (16) apte à être placée sur l'ébauche, et des premiers moyens (28) pour soumettre la vessie à une différence de pression, de façon à appliquer l'ébauche sur la matrice, caractérisé par le fait qu'il comprend une deuxième vessie étanche et déformable (20), apte à être placée entre l'ébauche et la matrice, des deuxièmes moyens (32) pour établir entre la première et la deuxième vessies (16,20) une pression inférieure à la pression atmosphérique et à la pression établie par les premiers moyens de part et d'autre des vessies, et des moyens de mise en tension longitudinale (36a,36b) de l'ébauche, associés aux vessies pour exercer sur l'ébauche une tension selon ledit axe longitudinal, lors d'un actionnement des premiers moyens. 6. Outillage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les premiers moyens (28) sont des moyens pour établir entre la deuxième vessie (20) et la matrice (12) une pression inférieure à la pression atmosphérique et supérieure à la pression établie entre les vessies par les deuxièmes moyens (32). 7. Outillage selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que les moyens de mise en tension longitudinale comprennent des organes (36a) sensiblement indéformables selon ledit axe longitudinal, associés aux vessies (16,20) au moins dans des premières zones de celles-ci situées au-delà de l'ébauche, selon ledit axe longitudinal, et appelées à se déformer lors d'un actionnement des premiers moyens. 8. Outillage selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend également des organes (36b) sensiblement indéformables, associés aux vessies dans des deuxièmes zones adjacentes aux premières zones et à des parties d'extrémité de l'ébauche, et situées au-delà d'un bord latéral (25) de ces parties d'extrémité. 9. Outillage selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé par le fait que lesdits organes sensiblement indéformables sont des bandes (36a,36b) placées entre la première et la deuxième vessies (16,20), dans lesdites zones, et réalisées en un matériau apte à ne pas glisser sur les vessies lors d'un actionnement des premiers et deuxièmes moyens (28,32). 10. Outillage selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les bandes (36a,36b) et les vessies (16,20) sont réalisées dans le même matériau. 11. Outillage selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé par le fait que les vessies (16,20) sont montées sur deux cadres (18,22) démontables séparément.