Brevet FR2705914A1 — publié le 19941209

DISPOSITIF D'APPLICATION DE PRESSION, EVENTUELLEMENT CHAUFFANT, SUR UNE SURFACE DE FORME QUELCONQUE, NOTAM MENT POUR LA REPARATION DE STRUCTURES ENDOMMAGEES. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif permet tant d'appliquer une pression, éventuellement accompagnée d'un chauffage, sur une surface de forme quelconque, c'est-à-dire aussi bien sur une surface plane que sur une surface de forme complexe. Un tel dispositif s t applique avantageusement, bien que de façon non exclusive, à la réparation des surfaces endommagées de structures composites telles que certaines structures d'aéronefs, d'automobiles, etc.. Les structures en matériau composite sont des structures complexes dont les caractéristiques dépendent de nombreux paramètres intervenant tout au long du processus de fabrication. Une phase particulièrement critique de ce processus est la polymérisation de la résine qui constitue la matrice du matériau composite. En effet, la qualité de la structure obtenue dépend notamment du cycle de température et de pression appliqué au cours de la polymérisation de la résine. Lors de la fabrication des structures composites, le respect d'un cycle de température et de pression précis peut être assuré en utilisant des moyens lourds tels que des étuves, des autoclaves, des presses chauffantes, etc.. En revanche, lorsqu'unie structure composite est endommagée, sa réparation ne peut généralement être effectuée que sur site, ce qui interdit toute utilisation des moyens lourds précités. En effet, les structures composites sont le plus sou vent intégrées à des ensembles complexes, ce qui interdit leur entrée dans une étuve, un autoclave ou une presse. De manière plus concrète, la réparation d'une structure composite endommagée s'effectue généralement en drapant sur la région endommagée de la structure plusieurs couches de fibres, tissées ou non, imprégnées de résine. Pour achever la réparation, il est nécessaire d'appliquer sur l'empilement ainsi formé un cycle de température et de pression précis, permettant de polymériser la résine. Dans l'état actuel de la technique, on utilise habituellement à cet effet un dispositif dont la configuration est illustrée schématiquement sur la figure 1. Ce dispositif se compose essentiellement d'une vessie étanche 10, d'un tapis chauffant 12, d'une source de vide 14 et de moyens, non illustrés, pour réguler la température et la pression. Sur la figure 1, la structure en matériau composite dont on désire effectuer la réparation est désignée par la référence 16. Comme indiqué auparavant, on place tout d'abord sur la surface extérieure 18 de cette structure 16, dans la zone à réparer, un empilement 20 formé par la superposition de plusieurs couches de fibres, tissées ou non, imprégnées de résine. Le tapis chauffant 12 est alors disposé sur cet empilement 20. L'ensemble est ensuite recouvert par la vessie étanche 10, de telle sorte que les bords périphériques de cette dernière V étendent au-delà de la périphérie de llempilement 20 et du tapis chauffant 12, sur la surface 18. Ces bords périphériques de la vessie 10 sont en contact étanche avec la surface 18 de la structure 16 par l'intermédiaire de mastic d'étanchéité 22. Grâce à cet agencement, une pression est appliquée sur l'empilement 20 lorsque l'espace délimité entre la vessie 10 et la surface 18 de la structure 16 est relié à la source de vide 14 comme l'illustre la figure 1. Par ailleurs, on soumet l'empilement 20 au cycle de température désiré en reliant le tapis chauffant 12 à une source d'énergie extérieure (non représentée), régulée en fonction des mesures effectuées par des thermocouples (non représentés) placés à 1 llinté- rieur de la vessie 10. Le dispositif qui vient d'être décrit en se référant à la figure 1 permet de respecter le cycle de température nécessaire à la polymérisation de la résine. En effet, ce dispositif permet d'atteindre aisément une température d'environ 1800cri ce qui est suffisant pour la plupart des résines utilisées dans les matériaux composites les plus courants. En revanche, la mise en pression de la zone à réparer n est généralement pas satisfaisante. En effet, la pression maximale appliquée sur ltempilement 20 est limitée par la valeur maximale atteinte par la dépression régnant à l'intérieur de la vessie étanche 10. Cette valeur maximale est égale à environ 0,8 bars pour les installations de vide portables usuelles. Cela correspond à une pression maximale insuffisante par rapport aux pressions préconisées pour la polymérisation des résines habituellement utilisées. En outre, des porosités et même des fuites sont souvent présentes dans la zone à réparer. Cette situation est particulièrement fréquente dans le cas où la structure 16 en matériau composite comprend une âme en nid d'abeilles recouverte par des peaux de relativement faible épaisseur, comme on l'a illustré sur la figure 1. La qualité du vide réalisé dans la vessie étanche 10 est alors bien inférieure à la valeur maximale permise par la source de vide 14, de telle sorte que la pression effectivement appliquée sur l'empile- ment 20 est généralement très faible, voire nulle, sans que l'opérateur puisse s'en rendre compte. Le caractère très insuffisant de la pression appliquée lors de la polymérisation a pour conséquence une limitation de la qualité de la réparation effectuée. Par ailleurs, le principe même du dispositif illustré sur la figure 1 se traduit nécessairement par l'application d'une dépression sur l'empilement 20 à polymériser, ce qui est préjudiciable à certaines résines. En outre, l'utilisation de tapis chauffants dans un dispositif tel qu'illustré sur la figure 1 interdit pratiquement l'utilisation d'un tel dispositif sur des formes complexes, en raison du caractère très peu déformable de ces tapis chauffants. En effet, la dépression établie entre la vessie 10 et la structure 16 en matériau composite impose au tapis chauffant d'épouser étroitement la forme de la surface. l'invention a précisément pour objet un dispositif d'un type nouveau, permettant d'appliquer une pression et, éventuellement, un chauffage sur une surface de forme quelconque, sans que la pression appliquée sur la surface soit limitée par la pression maximale délivrée par une installation de vide usuelle et sans que des porosités ou même des fuites présentes dans la zone que l'on désire mettre sous pression ait de conséquence sur la pression effectivement appliquée sur la structure. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'application de pression et, éventuellement de chauffage d'une surface dont la conception originale lui permet de ne pas appliquer de dépression sur la zone concernée par l'application de pression. Conformément à l'invention, ces différents objectifs sont atteints au moyen d'un dispositif d'application de pression sur une surface de forme quelconque, caractérisé par le fait qu'il comprend - un organe d'appui - des moyens d'accrochage d'une zone périphérique de l'organe d'appui sur la surface ; et - des moyens d'application de pression interposés entre une zone centrale de l'organe d'appui et la surface. En dissociant les moyens d'application de pression des moyens d'accrochage, le dispositif selon 1 invention permet de donner aux moyens d'accrochage une surface plus étendue que celle des moyens d'application de pression. Par conséquent, la pression appliquée sur la pièce n' est plus limitée ni par la valeur de la dépression servant à l'accrochage, ni par des porosités ou des fuites éventuelles de la structure. En outre, la zone de la surface sur laquelle une pression est appliquée n'est pas mise sous vide par le dispositif. De préférence, le dispositif comprend des moyens de mesure de la pression appliquée sur ladite surface, et des moyens de régulation de pression agissant sur les moyens d'application de pression, en réponse à des signaux délivrés par les moyens de mesure de pression Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les moyens d'application de pression comprennent une vessie gonflable apte à être reliée à une source de fluide sous pression. Avantageusement, cette vessie gonflable est associée à des moyens de chauffage qui peuvent notamment être constitués soit par des moyens pour faire circuler un fluide chaud à l'intérieur de la vessie gonflable, soit par un tapis chauffant placé dans la vessie gonflable. Dans ce dernier cas, il est à noter que le caractère peu déformable du tapis chauffant n'est pas incompatible avec des surfaces de formes quelconques. En effet, du fait qu'il est placé dans une vessie gonflable, le tapis chauffant nla pas à épouser la forme de la pièce. De préférence, des moyens de régulation de température sont associés aux moyens de chauffage, d'une manière en elle-même classique. Les moyens d'accrochage peuvent comprendre des ventouses déformables aptes à être reliées à une source de vide, des ventouses magnétiques, ou encore des organes d'accrochage mécaniques. Les moyens d'accrochage sont reliés à l'organe d'appui par des tiges. Un moyen élastique agit alors avantageusement entre chacune des tiges et l'organe d'appui, dans un sens tendant à déplacer cet organe vers la surface. Plus précisément, les tiges traversent l'organe d'appui avec jeu et comportent un épaulement tourné vers une face de l'organe d'appui opposée à la surface de la structure et les moyens élastiques sont constitués par des ressorts de compression montés sur les tiges entre l'épaulement précité et ladite face de l'organe d'appui. L'organe d'appui peut être constitué soit par une plaque rigide, soit par un organe souple tel qu'un filet ou une toile, apte à transmettre intégralement aux moyens d'accrochage les efforts exercés dans la zone centrale par les moyens d'application de pression. Le dispositif selon l'invention peut avantageusement être appliqué à la réparation d'une structure endommagée, par interposition d'au moins une feuille en matériau imprégné de résine entre les moyens d'application de pression et la surface de la structure. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe illustrant de façon schématique un dispositif connu de l'art antérieur permettant d'appliquer une pression sur une surface, tout en chauffant cette dernière, notamment afin de réparer une zone endommagée d'une structure en matériau composite ; et - la figure 2 est une vue en coupe comparable à la figure 1 représentant un dispositif conforme à l'invention, permettant d'appliquer une pression et de chauffer simultanément une surface de forme quelconque, notamment afin de réparer une structure en matériau composite. Sur la figure 2, on a représenté une forme de réalisation préférentielle du dispositif d'application de pression selon l'invention, adaptée à la réparation d'une structure composite endommagée localement. Cette structure composite, désignée de façon générale par la référence 30, peut notamment être une structure d'aéronef dont la réparation doit impérativement être effectuée sur site. La surface extérieure 32 de la structure 30 peut présenter une forme quelconque, c'est-à-dire aussi bien une forme plane qu'une forme discontinue ou incurvée comme on l'a représenté sur la figure 2. Pour effectuer sa réparation, la zone endommagée de la surface 32 de la structure 30 en matériau composite est recouverte d'un empilement 34 de couches de fibres, tissées ou non, imprégnées de résine thermodurcissable. Les fibres comme la résine constituant les différentes couches de l'empilement 34 sont assez souvent identiques à celles qui constituent la partie externe de la structure 30 formant la surface 32. La polymérisation de la résine constituant la matrice de l'empilement 34 est ensuite effectuée en soumettant cet empilement à un cycle de température et de pression prédéterminé, au moyen d'un dispositif conforme à l'invention, dont la description va à présent être effectuée en se référant à la figure 2. Ce dispositif comprend tout d'abord un organe d'appui qui peut présenter différentes formes selon l'application envisagée. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, cet organe d'appui est constitué par une plaque 36, plane et rigide, réalisée en un matériau tel qu'un métal, un alliage métallique ou un matériau composite. La rigidité de ce matériau est déterminée afin que la plaque puisse supporter la pression maximale que l'on désire appliquer. La forme de la plaque 36 peut varier selon l'application envisagée et notamment selon la forme de la partie de surface 32 endommagée. Ainsi et uniquement à titre d'exemple, la plaque 36 peut avoir une forme circulaire, carrée, rectangulaire, triangulaire, polygonale, etc.. Conformément à l'invention, l'organe d'appui constitué ici par la plaque 36 est prévu pour venir s'accrocher sur la surface 32 de la structure 30 à l'extérieur de la partie à réparer de cette surface 32. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, les moyens d'accrochage utilisés à cet effet comprennent des ventouses ou patins déformables 38, aptes à venir s'accrocher sur la surface 32, autour de la partie à réparer de cette surface, par dépression. Comme on le comprendra mieux par la suite, le nombre et la surface des ventouses 38 sont déterminés en fonction du niveau de pression que l'on désire appliquer sur l'empilement 34 et de la porosité moyenne de la structure 30. Les ventouses 38 sont reliées à une zone périphérique de la plaque 36 par des moyens de liaison comprenant, pour chacune des ventouses 38, une tige rigide 40. Plus précisément, une première extrémité de chacune des tiges 40 est fixée au centre d'une ventouse 38 correspondante. A partir de ce point de fixation, les tiges 40 s'étendent perpendiculairement aux ventouses 38 et traversent avec un certain jeu des trous 42 formés dans la zone périphérique de la plaque 36. A leurs extrémités opposées aux ventouses 38, les tiges 40 comportent des épaulements 44 tournés vers la plaque 36. Un ressort de compression 46 formant un moyen élastique est monté sur chacune des tiges 40, entre l'épaulement 44 et la face de la plaque 36 opposée à la surface 32 de la structure 30. Une rondelle 48 est avantageusement interposée entre chacun des ressorts 46 et la face précitée de la plaque 36. Le dispositif conforme à l'invention comprend de plus des moyens d'application de pression constitués, dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, par une vessie gonflable 50. Cette vessie gonflable 50 forme un matelas ou une poche fermé qui est interposé entre une zone centrale de la plaque 36 et l'empilement 34, de façon à permettre l'application de la pression désirée sur cet empilement, en prenant appui sur la plaque 36 accrochée sur la surface 32 par les ventouses 38. La vessie peut être réalisée en tout matériau apte à résister à la température et à la pression de polymérisation, tel qu'un élastomère de silicone (armé ou non) ou un feuillard métallique. La vessie gonflable 50 est en appui sur la face de la plaque 36 tournée vers la surface 32 de la structure 30. De plus, elle présente un contour périphérique qui dépend de l'application envisagée et, par exemple, de la forme de la partie endommagée de la surface 32 dans l'application illustrée sur la figure 2. Ce contour peut notamment être circulaire, triangulaire, carré, rectangulaire, polygonal, etc.. Dans certains cas, la face de la vessie gonflable 50 qui est en contact avec l'empilement 34 peut présenter des parties rigides ou semi-rigides, en creux ou en saillie, permettant de former à la surface de l'empilement des empreintes calibrées. Comme on l'a illustré schématiquement sur la figure 2, le dispositif d'application de pression selon l'invention est prévu pour être associé à une source de vide 52 et à une source de fluide sous pression 54. En fonctionnement, la source de vide 52 est reliée à chacune des ventouses 38 par une tuyauterie 56 et la source de fluide sous pression 54 est reliée à la vessie gonflable 50 par une tuyauterie 58. Pour contrôler la pression effectivement appliquée sur l'empilement 34, le dispositif incorpore des capteurs de pression dont l'un est illustré schématiquement en 66 sur la figure 2. Ces capteurs de pression sont situés en des endroits choisis afin que la mesure effectuée corresponde aussi précisément que possible à la pression réellement appliquée, c'est-àdire notamment entre la vessie 50 et l'empilement 34. Les signaux délivrés par les capteurs de pression 66 sont transmis à des moyens de régulation 68, qui pilotent la source de fluide 54 de façon à suivre le cycle d'application de pression préétabli. Lorsque le dispositif conforme à l'invention est utilisé pour réparer une structure 30 en maté riau composite comme l'illustre la figure 2, l'obtention d'une polymérisation satisfaisante de la résine formant la matrice de l'empilement 34 impose d'adjoindre à la pression appliquée sur l'empilement 34 un chauffage de cet empilement selon un cycle de température déterminé. Le dispositif est alors équipé de moyens de chauffage qui sont associés à la vessie 50. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, ces moyens de chauffage sont constitués par un tapis chauffant 60 qui est placé à l'intérieur de la vessie gonflable 50 de façon à s'étendre sur une surface au moins égale à la surface de l'empilement 34. Ce tapis chauffant 60 est connecté à une alimentation électrique extérieure 62. Cette alimentation électrique 62 incorpore des moyens de régulation de température qui permettent de contrôler le cycle de température appliqué à l'empilement 34 pendant la polymérisation. La régulation de température est effectuée en fonction des informations fournies par des thermocouples, dont l'un est illustré schématiquement en 64. Ces thermocouples 64 peuvent être soit situés à l'intérieur de la vessie gonflable 50, soit placés directement sur la surface de cette vessie qui est en contact avec l'empilement 34. Les thermocouples 64 peuvent aussi être placés directement sur la structure 30, sans être associés à la vessie 50. Dans une variante de réalisation non représentée, les moyens de chauffage comprennent des moyens pour faire circuler à l'intérieur de la vessie gonflable 50 un fluide caloporteur dont la température est régulée de la même manière que celle du tapis chauffant 60. Dans ce cas, la vessie gonflable 50 comporte une valve d'entrée et une valve de sortie et ces valves sont reliées à un circuit extérieur comportant des moyens de chauffage du fluide caloporteur, tels qu'un échangeur. Lors de la mise en oeuvre du dispositif illustré sur la figure 2, l'organe d'appui constitué ici par la plaque 36 est tout d'abord accroché sur la surface 32 par la mise sous vide des ventouses 38. Etant donné que cet accrochage s'effectue en dehors de la partie à réparer, les ventouses 38 sont en principe situées dans des zones dans lesquelles la porosité de la structure 30 est connue et relativement limitée. De plus, les surfaces sur lesquelles s'effectue l'accrochage ne sont limitées que par les dimensions de la structure 30, de telle sorte qu'une force d'accrochage élevée, compatible avec l'application d'une pression relativement importante sur l'empilement 34, peut être engendrée. En outre et comme l'illustre schématiquement la figure 2, le montage avec jeu des tiges 40 dans la plaque 36 permet d'accrocher cette dernière sur des surfaces 32 de forme quelconque. De ce point de vue, il est à noter que l'utilisation d'un tapis chauffant 60 n'est pas incompatible avec une surface de forme complexe, car le tapis chauffant 60 n'a pas à épouser la forme de la pièce, contrairement à ce qui se passe dans les dispositifs existants tels qu'illustrés sur la figure 1. L'application de la pression sur l'empilement 34 est assurée par l'injection de fluide sous pression dans la vessie gonflable 50. La pression qui peut être atteinte est seulement limitée par la force d'accrochage des ventouses 38 sur la surface 32. Etant donné que les surfaces des ventouses 38 sont totalement indépendantes de la surface de la partie de structure à réparer, il est donc possible de donner aux surfaces d'accrochage des ventouses 38 une valeur suffisamment grande pour que la pression maximale que l'on désire appliquer sur l'empilement 34 puisse être atteinte. En outre, la surface d'accrochage des ventouses 38 peut être surdimensionnée afin de tenir compte de la porosité moyenne de la structure 30. La présence des ressorts 46 permet à la plaque 36 de s'orienter pendant la mise en pression de la vessie gonflable 50, afin que les efforts engendrés par le gonflage de la vessie soient répartis au mieux sur toutes les ventouses 38. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation qui vient d'être décrite en se référant à la figure 2. Ainsi, comme on l'a déjà indiqué, le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans tous les cas où une pression doit être appliquée sur une surface de forme quelconque, sans qu'il soit possible de prendre appui sur une structure autre que cette surface. Cela signifie notamment que la présence de moyens de chauffage ne constitue qu'une option, le dispositif pouvant dans certains cas être dépourvu de tout moyen de chauffage. Par ailleurs, l'ensemble de ventouses à dépression 38 peut être remplacé par une ventouse annulaire unique entourant la zone sur laquelle la pression doit être appliquée. En outre, si la vessie gonflable 50 constitue une forme de réalisation particulièrement simple, celle-ci peut dans certains cas être remplacée par un dispositif du type vérin lorsque la géométrie de la surface en regard est plane. Si la réparation de structures en matériaux composites constitue une application préférentielle de l'invention, d'autres applications peuvent être envisagées. Parmi ces autres applications, on citera la répa ration de structures métalliques (alliage léger, acier, etc.), par collage d'une ou plusieurs couches de matériau imprégné de résine sur la région endommagée de la structure. Dans le cas où la structure supportant le dispositif est une structure en un métal ferreux tel que de l'acier, les ventouses à dépression peuvent être remplacées par des ventouses magnétiques. De plus, si la surface disponible pour l'accrochage du dispositif est trop petite et délimitée par des bords ou des parties en saillie ou en creux autorisant un accrochage mécanique, les ventouses à dépression peuvent aussi être remplacées par des moyens d'accrochage mécanique tels que des brides. Il est également important d'observer que la plaque rigide 36, qui constitue l'organe d'appui du dispositif dans la forme de réalisation décrite, peut être remplacée par un organe souple et mécaniquement résistant, tel qu'une toile ou un filet, apte à transmettre intégralement aux moyens d'accrochage les efforts de pression appliqués sur la structure. Un tel organe souple présente l'avantage d'être plus léger qu'une plaque et de pouvoir être replié lors du transport. De plus, il contribue à la répartition des efforts sur les moyens d'accrochage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'application de pression sur une surface (32) de forme quelconque, caractérisé par le fait qu'il comprend - un organe d'appui (36) ; - des moyens d'accrochage (38) d'une zone périphérique de l'organe d'appui (36) sur la surface (32); et - des moyens d'application de pression (50) interposés entre une zone centrale de l'organe d'appui (36) et la surface (32). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (66) de mesure de la pression appliquée sur ladite surface (32), et des moyens de régulation de pression (68) agissant sur les moyens (50) d'application de pression, en réponse à des signaux délivrés par les moyens (66) de mesure de pression. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens d'application de pression comprennent une vessie gonflable (50) apte à être reliée à une source de fluide sous pression (54). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la vessie gonflable (50) est associée à des moyens de chauffage (60). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage comprennent des moyens pour faire circuler un fluide chaud à l'intérieur de la vessie gonflable (50). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage comprennent un tapis chauffant (60) placé dans la vessie gonflable (50). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que des moyens de régulation de température sont associés aux moyens de chauffage (62). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'accrochage comprennent des ventouses déformables (38) aptes à être reliées à une source de vide (52). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les moyens d'accrochage comprennent des ventouses magnétiques. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les moyens d'accrochage comprennent des organes draccro- chage mécaniques. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'accrochage (38) sont reliés à l'organe d'appui par des tiges (40), un moyen élastique (46) agissant entre chaque tige (40) et l'organe d'appui (36), dans un sens tendant à déplacer cet organe vers la surface (32). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que lesdites tiges (40) traversent l'organe d'appui (36) avec jeu et comportent un épaulement (44) tourné vers une face de l'organe d'appui opposée à la surface (32), les moyens élastiques comprenant des ressorts de compression (46) montés sur les tiges (40), entre les épaulements (44) et ladite face de l'organe d'appui (36). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'organe d'appui est une plaque rigide (36). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que l'organe d'appui est un organe souple, apte à transmettre intégralement aux moyens d'accrochage (38) des efforts exercés dans sa zone centrale par les moyens d'application de pression (50). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à la réparation d'une structure (30) endommagée, par interposition d'au moins une couche (34) en matériau imprégné de résine entre les moyens d'application de pression (50) et une surface (32) de ladite structure (30).